Может ли существовать долговременная структурно-динамическая память воды? - Иваницкий Г.Р., Деев А.А., Хижняк Е.П.

2. Îïðåäåëåíèÿ, îïèñàíèå ïàðàìåòðîâ âîäû. Ãèäðàòàöèÿ
2.1. Èíôîðìàöèÿ è ïàìÿòü

2.2. Ïðåäìåò äèñêóññèè â òåðìèíàõ òåîðèè èíôîðìàöèè

2.3. Âîçìîæíûå íåòî÷íîñòè òðàêòîâêè òåðìèíà "âÿçêîñòü"

2.5. Ëîêàëüíûå èçìåíåíèÿ ýíòðîïèè ïðè ñâÿçûâàíèè âîäû ñ âåùåñòâàìè
2.6. Ýôôåêò âåñåííåé âîäû

3. Ïàìÿòü ïðè ìåõàíè÷åñêîì ðàçðåçàíèè âîäû
3.1. Âðåìÿ æèçíè íàäïèñè íà âîäå

3.2. Äèíàìèêà ïîâåäåíèÿ âèõðÿ â ðàçðåçå âîäû ïðè óâåëè÷åíèè òîëùèíû å¸ ñëîÿ

3.3. Âëèÿíèå êîíâåêöèè íà õàðàêòåðèñòè÷åñêîå âðåìÿ âîññòàíîâëåíèÿ ðàâíîâåñèÿ ïðè óâåëè÷åíèè òîëùèíû...

4. Ìîëåêóëÿðíûå ñòðóêòóðû âîäû è èõ ñâÿçü ñ å¸ ìàêðîñòðóêòóðàìè
4.1. Î âîäå êàê î ñìåñè ðàçíûõ òèïîâ ìîëåêóëÿðíûõ ñòðóêòóð

4.2. Ñòðóêòóðíûé ïîäõîä --- îò ëüäà ê æèäêîé âîäå

4.3. Òåðìîäèíàìè÷åñêèé ïîäõîä ê îïèñàíèþ âîäû íà ìîëåêóëÿðíîì óðîâíå

4.4. Ïîâåäåíèå ìîëåêóëÿðíîé ñòðóêòóðû âîäû â òåðìèíàõ ïåðåõîäîâ îò ïîðÿäêà ê õàîñó

4.5. Ñðàâíåíèå ñòðóêòóð â âîäå â âèäå ÿ÷ååê

5. Íåóñòîé÷èâîñòü ïîâåäåíèÿ âîäû, âîçíèêàþùàÿ ïîä äåéñòâèåì âíåøíåé ñèëû
5.1. Ýôôåêò íåóñòîé÷èâîñòè Ðýëåÿ--Òåéëîðà

5.3. Îñîáûé ýôôåêò íåóñòîé÷èâîñòè ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ

Author: Иваницкий Г.Р. Деев А.А. Хижняк Е.П.

Tags: физика

Year: 2014

Similar

Курс общей физики. Оптика

Образы западноевропейской архитектуры

Древний Египет. Месопотамия

Письма о славянских древностях

Text

Январь 2014 г.
УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК
Том 184, Л2? 1
ОБЗОРЫ АКТУАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ
Может ли существовать
долговременная структурно-динамическая память воды?
Г.Р. Иваницкий, А.А. Деев, Е.П. Хижняк
Гипотеза о том, что вода обладает памятью о прошлых механических, магнитных и электромагнитных
воздействиях или растворяемых в ней веществах, не подтверждается в эксперименте. Вода после
многократного разведения, приводящего к полному удалению ранее содержавшихся в ней любых ве-
ществ, не помнит ни о прошлом наличии в ней этих веществ, ни о прошлых внешних физических воздей-
ствиях на неё. Нет никаких оснований утверждать, что в воде существует молекулярная
информационная матрица, которая могла бы служить долговременной памятью о воздействиях на воду.
PACS numbers: 07.57.-c, 61.20.-р, 65.20.-w, 83.10.Mj, 89.70.Cf DOI: 10.3367/UFNr.0184.201401b.0043
Содержание
1. Введение (43).
1.1. Актуальность темы. 1.2. Уроки прошлого.
2. Определения, описание параметров воды. Гидратация (45).
2.1. Информация и память. 2.2. Предмет дискуссии в терминах
теории информации. 2.3. Возможные неточности трактовки
термина ’’вязкость”. 2.4. Связанные состояния воды. 2.5. Ло-
кальные изменения энтропии при связывании воды с вещества-
ми. 2.6. Эффект весенней воды.
3. Память при механическом разрезании воды (55).
3.1. Время жизни надписи на воде. 3.2. Динамика поведения
вихря в разрезе воды при увеличении толщины её слоя.
3.3. Влияние конвекции на характеристическое время восстанов-
ления равновесия при увеличении толщины слоя воды.
4. Молекулярные структуры воды и их связь с её макроструктурами
(58).
4.1. О воде как о смеси разных типов молекулярных структур.
4.2. Структурный подход — от льда к жидкой воде. 4.3. Термо-
динамический подход к описанию воды на молекулярном уров-
не. 4.4. Поведение молекулярной структуры воды в терминах
переходов от порядка к хаосу. 4.5. Сравнение структур в воде в
виде ячеек.
5. Неустойчивость поведения воды, возникающая под действием
внешней силы (66).
5.1. Эффект неустойчивости Рэлея-Тейлора. 5.2. Возможны ли в
воде резонансы? 5.3. Особый эффект неустойчивости под воздей-
ствием электромагнитного поля.
Г.Р. Иваницкий, А.А. Деев, Е.П. Хижняк. Институт теоретической
и экспериментальной биофизики РАН,
Институтская ул. 3, 142290 Пущино, Московская обл.,
Российская Федерация
Тел. (0967) 73-24-81. Факс (0967) 79-05-53
E-mail: ivanitsky@iteb.ru, deev@iteb.ru, eugene@iteb.ru
Статья поступила 25 апреля 2013 г.,
после доработки 30 июля 2013 г.
6. Заключение (69).
7. Приложение (70).
Список литературы (72).
Макронаблюдателъ подобен полководцу, у него нет
интереса к биографии индивидуальных молекул, ему
вообще совершенно безразлична индивидуальность
отдельных молекул вещества, поскольку он не имеет
средств их идентифицировать; даже при самом
большом старании он может определить только
количество однородных молекул, у которых положе-
ния и скорости заключены в определённых пределах.
Мариан Смолуховский (1872-1917),
”Границы справедливости
второго начала термодинамики” [1]
1. Введение
1.1. Актуальность темы
Во-первых, интерес физиков к воде как к одному из
частных вариантов конденсированных сред не умень-
шается, хотя вода исследуется на протяжении многих
столетий. Если проанализировать содержание журнала
Успехи физических наук с момента его создания (1918 г.),
то можно обнаружить более полусотни обзоров и
статей, посвящённых различным теориям конденсиро-
ванных сред. Однако эти теории могут объяснить в
полной мере лишь поведение одноатомных жидкостей.
Вода Н О Н — трёхатомная молекулярная жид-
кость, и её поведение в полной мере не описывается
какой-либо из существующих теорий.
Во-вторых, всё живое на нашей планете обязано
своим появлением воде и живые организмы содержат в
своём составе до 99 % воды. В живых организмах,
обитающих на суше, содержание воды меньше, но вода
по-прежнему составляет большую часть любого из них.
Например, во взрослом человеке весом 70 кг в норме
содержится до 75 % воды: внутриклеточная жидкость —
27,2 л (40 %), тканевая жидкость и лимфа — 20,4 л (30 %)
© Г.Р. Иваницкий, А.А. Деев, Е.П. Хижняк 2014
44
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
и плазма крови — 3,4 л (5 %). Второе место по весу
занимает жир различного состава, но его содержание
намного меньше. Человек содержит в норме порядка
10,2 кг жировых компонентов (включая мембраны кле-
ток), т.е. приблизительно 15 % от своего веса [2]. Только
10 % веса человека приходится на все другие соединения
(белки и нуклеиновые кислоты), хотя последние и опре-
деляют специфику нашего существования. Связанная
вода занимает от 25 % до 70 % белковых структур. Без
связанного и свободного водного наполнения живой
организм существовать не может [3].
В-третьих, с тех пор как Роберт Броун обнаружил
(1828 г.), что взвешенные в воде частицы находятся в
постоянном движении, это движение, названное в его
честь броуновским, стало объектом изучения как одна
из форм хаоса. Следует напомнить, что впервые под-
вижность частиц в жидкости была замечена Я. Ингенхау-
зом (J. Ingenhausz) ещё в 1785 г., т.е. через 150 лет после
создания А. Левенгуком основ оптической микроскопии.
Сам Левенгук зарегистрировал в воде движение живых
бактерий, сперматозоидов и простейших, которое очень
походило на движение, замеченное позднее Ингенхаузом
при наблюдении неживых объектов — размельчённых
частиц древесного угля на поверхности спирта. Частицы
размером порядка 10“6 —10“8 м, например сажа или
пыль, в жидкости демонстрируют стохастическое дви-
жение под действием как ударов молекул жидкости, так
и взаимных столкновений (’’бильярдная модель”). Броу-
новская подвижность была теоретически описана в
1905 г. А. Эйнштейном и М. Смолуховским. В 1908 г.
эта теория была дополнена П. Ланжевеном. Однако в
XX в. многократно поднимался вопрос [3-13]: насколь-
ко случайным является ’’случайное” движение броунов-
ских частиц? Ответ был важен не только для физики
конденсированных сред, но и для понимания диффузи-
онно-контролируемых процессов в живых организмах.
Коэффициент диффузии, согласно Эйнштейну [14],
пропорционален, с одной стороны, среднему квадрату
смещения частицы, а с другой — зависит от числа мо-
лекул в 1 моле вещества (число Авогадро). Таким обра-
зом, измеряя смещение частиц, можно вычислить число
Авогадро. Это удалось сделать Ж. Перрену на основе
замеров величин смещения броуновских частиц [15].
Наиболее вероятное значение числа Авогадро, получен-
ное Перреном, составило 6,85 х 1023 моль-1. Однако
если определить число Авогадро по картине рассеива-
ния рентгеновских лучей, то его значение будет меньше
— 6,022045 х 1023 моль-1. Расхождение между этими
величинами порядка 14%. Однако Перрен оценивал
ошибку своих замеров не более чем в 3 %.
Возникал вопрос: кроется ли в расхождении резуль-
татов особый физический смысл? Например, движение
броуновских частиц может отражать ’’детерминирован-
ный” компонент воды, т.е. наличие в воде каких-либо
пространственных структур. Ответ на этот вопрос до
конца XX в. занимал умы учёных.
В-четвёртых, гипотеза о наличии в воде пространст-
венных структур в какой-то мере представлялась оправ-
данной, поскольку эта гипотеза опиралась на наличие
особых, необычных, свойств воды. Молекула воды —
полярная. В воде могли бы существовать простран-
ственные структурные сетки с изменяющимися во вре-
мени связями [16, 17]. Каждая молекула может образо-
вывать связи с соседями. Удельные теплоёмкость, теп-
лота плавления и кипения воды аномально высоки по
сравнению с таковыми других гидритов VI группы
(Н2Те, H2Se, H2S) [18]. Вода имеет по крайней мере два
сильно выраженных температурных экстремума. Ее
удельная теплоёмкость Ср минимальна при темпера-
туре ^35 °C, а плотность максимальна при темпера-
туре ~4 °C. Вязкость воды с возрастанием давления
уменьшается, а не увеличивается, как следовало бы ожи-
дать по аналогии с поведением вязкости других жидкос-
тей. Сжимаемость воды является малой и зависит от
температуры. Минимум изотермической сжимаемости
приходится на значение температуры около 45 °C, а
адиабатической — соответствует температуре прибли-
зительно 60 °C [18].
В-пятых, в течение по крайней мере нескольких
десятилетий в научной литературе (и особенно широко в
средствах массовой информации) обсуждается вопрос о
способности жидкой воды сохранять информацию о раз-
личных внешних воздействиях, которым подвергался
данный её образец. У многих это вызывало сомнение.
Можно упомянуть статьи даже в журнале Homeopathe
[19], в частности статью Жозе Тейшейры (Jose Teixeira)
’’Can water possibly have a memory? A sceptical view”
(’’Может ли вода иметь память? Скептический взгляд”).
Кроме того, на недавно прошедшем IV съезде биофизи-
ков России в Нижегородском государственном универ-
ситете им. Н.И. Лобачевского (с 20 по 26 августа 2012 г.)
вновь были представлены сообщения, связанные со
свойствами воды в биологических системах. Таких до-
кладов на съезде было около 30, что составило прибли-
зительно 10% от общего числа докладов. Основное со-
держание пяти докладов основывалось на гипотезе о
существовании в воде долгоживущей сетки, которая
могла бы являться некоторой информационной матри-
цей и служить элементом долговременной памяти. По-
добные доклады были представлены и на Международ-
ной конференции ’’Структура воды: физические и биоло-
гические аспекты” (Санкт-Петербург, 11-16 сентября
2013 г.). Так возник вопрос, который поставлен в на-
звание настоящего обзора. Цель обзора — ответить на
этот вопрос.
1.2. Уроки прошлого
Напомним один скандал, который разразился в научном
сообществе 25 лет назад (в 1988 г.). Иммунолог Ж. Бен-
венист (J. Benveniste) с соавторами опубликовали в
Nature статью [20], основой которой являлся анализ
связывания антигена с антителом. Этот метод сегодня
представляет собой самый чувствительный метод опре-
деления наличия антител в растворе. Согласно законам
химии, скорость реакции соединения антигенов с анти-
телами в водной среде должна снижаться с уменьшением
концентрации либо тех, либо других и реакция должна
прекратиться при достижении нулевой концентрации
одного из реагентов.
Однако Бенвенист с сотрудниками зарегистрировали,
что по мере того как концентрация одного из реагентов в
растворе воды уменьшалась в результате разведения
раствора, скорость реакции не снижалась, а переходила
в колебательный режим и не становилась равной нулю
при любом разведении раствора с антителами. Другими
словами, реакция продолжалась и тогда, когда антитела
исчезали. Казалось, что вода не только ’’помнит” о том,
какое вещество в ней было разведено ранее, но и
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
45
продолжает оказывать воздействие на базофилы чело-
века.
Статья Бенвениста с соавторами сопровождалась
заметкой редактора журнала Nature, в которой отмеча-
лось, что если эти результаты будут подтверждены в
других лабораториях, то тогда придётся пересмотреть
некоторые законы физики и химии. Кроме того, редак-
тор предложил воспроизвести эксперимент Бенвениста
под контролем группы экспертов. В присутствии экспер-
тов Бенвенист и его сотрудники (Institut National de la
Sante et de la Recherche Medicale, Париж) повторили экс-
перименты. При соблюдении ’’двойного слепого” конт-
роля эффекты, обнаруженные ранее группой Бенвениста,
исчезли. Заключение комиссии было опубликовано в
следующем номере Nature под названием «Эксперимен-
тальное заблуждение ’’высокого разведения”» [21]. В
этом заключении отмечалось: "Нет никаких оснований
для предположения, что antilgE в высоком разведении
сохраняют свою биологическую активность. Гипотеза о
том, что вода обладает памятью о прошлых растворах,
является столь же ненужной, как и надуманной". Тем не
менее дискуссия на эту тему продолжалась. Статья
П. Коле, также опубликованная в Nature, называлась
’’Споры об эффекте Бенвениста бушуют во французской
прессе” [22].
Споры не утихли по сей день [23]. Возникает множе-
ство новых гипотез, которые невозможно доказать, но
сложно и полностью опровергнуть [24-29]. Априори
трудно допустить, что ’’чистые” водные растворы, содер-
жавшие в прошлом активные соединения, после их
удаления могут за пределами переходного процесса со-
хранять память о них. Тем более что другие эксперимен-
тальные данные указывают на ошибочность гипотезы о
наличии долговременной структурно-динамической па-
мяти воды. Однако возникает вопрос: почему серьёзные
исследователи, которых трудно заподозрить в мошенни-
честве, породили эту дискуссию и почему она до сих пор
не завершена?
Как отмечалось в разделе 1.1, на IV съезде биофизи-
ков России в августе 2012 г. и конференции в Санкт-
Петербурге в сентябре 2013 г. также обсуждались эти
вопросы и выступали сторонники указанной выше гипо-
тезы. По-видимому, каждое новое поколение исследова-
телей будет возвращаться к этой гипотезе. Хотя вся
новая аргументация — это в значительной степени за-
бытая и ранее уже отвергнутая старая.
В защиту гипотезы о существования структурно-ди-
намических информационных матриц в воде выдвига-
ется следующий основной аргумент: без наличия у воды
памяти невозможно объяснить наблюдаемые биоэффек-
ты сильных разведений в воде биологически активных
соединений, т.е. гомеопатию в различных её проявле-
ниях. Кроме того, приходится слышать и другие аргу-
менты, связанные с физикой конденсированных сред:
описание поведения воды на макроуровне известно, но
детали поведения на молекулярном уровне в полной мере
не известны, поэтому возможно, что на молекулярном
уровне в организме проявляются новые особые свойства
воды. Лечебные эффекты больших разведений регистри-
руются в клинике, и их достоверность обосновывается
статистически.
В данном обзоре мы постараемся последовательно
опровергнуть все аргументы защитников гипотезы о су-
ществовании памяти воды и показать, что в настоящее
время молекулярные механизмы поведения воды изуче-
ны достаточно основательно. Также хорошо исследо-
вано их влияние на макропроцессы, что позволяет дать
отрицательный ответ на поставленный в названии об-
зора вопрос.
2. Определения, описание параметров воды.
Гидратация
2.1. Информация и память
На основании изложенного во введении можно утверж-
дать, что защитники наличия памяти воды подразуме-
вают под этим термином два разных определения.
Первое определение: память воды — это её способность
долго сохранять информацию о ранее растворённых в ней
веществах при максимальных разбавлениях. Это опреде-
ление было предложено, чтобы объяснить предполагае-
мые лечебные свойства гомеопатических средств, кото-
рые готовятся разведением до такой степени, что даже
одной молекулы исходного вещества не остаётся в
разбавленной воде. Согласно второму определению,
под памятью воды понимается наличие стойких корре-
ляций в структуре воды, которые изменяются при
внешнем воздействии (акустическом, механическом или
электромагнитном) и долго сохраняются в изменённом
виде после прекращения воздействия.
Прежде чем перейти к экспериментальным доказа-
тельствам, опровергающим обе гипотезы существования
в жидкой воде долгоживущей молекулярной информа-
ционной матрицы, являющейся основой так называемой
памяти воды, сделаем несколько замечаний относитель-
но смысла используемой терминологии.
Во-первых, когда подходы статистической термоди-
намики были приняты всем научным сообществом, ве-
роятностное описание процессов постепенно начали за-
менять информационным. Такая замена позволила уточ-
нить трактовку второго закона термодинамики в прило-
жении к механизму явлений, происходящих в цикле
Карно, и с новых позиций оценить превращения энергии
из одного вида в другой по мере её обесценивания [30]. По
предложению Шрёдингера было введено в дополнение к
понятию термодинамической энтропии понятие отрица-
тельной энтропии. Последнюю величину Бриллюэн для
краткости назвал негэнтропией или информацией [31].
Смысл введения нового термина для описания поведе-
ния закрытых систем был прост — он состоял в том,
чтобы через термин информация описать торможение
постоянного возрастания энтропии внутри выделенной
системы, в которой происходит обесценивание энергии
при переходе её в тепло в процессе стремления системы к
равновесию.
Проиллюстрируем эту идею простым примером.
Если средняя температура воды равна Т, а температура
какой-то области равна Т\, то разность температур
Т — Т\ может совершать работу. При этом неважно,
больше Т, чем Т\, или меньше. В обоих случаях можно
построить тепловую машину. Различаться при этом
будут только направления потоков, выполняющих ра-
боту. Если не использовать для совершения работы
энергию, заключённую в потоке, то температура посте-
пенно сама собою выровняется вследствие наличия
температуропроводности воды с точностью до темпера-
турных флуктуаций. Возрастание энтропии в этой сис-
46
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
теме будет означать убывание негэнтропии, т.е. инфор-
мации. Следует заметить, что энтропия состоит из двух
вкладов — адиабатического и неадиабатического. При
внешнем воздействии детальное равновесие нарушается.
Граница нарушения равновесия некоторое время может
существовать. Однако такая граница возникает за счёт
внутренних флуктуаций в воде и в отсутствие внешнего
воздействия. В этом случае указанная граница не может
иметь отношения к вносимой извне информации.
Во-вторых, в термин информация почти каждый
исследователь вкладывал свой смысл. Д.С. Чернавский
в статье [32] отмечает 19 определений понятия информа-
ция. Например, информация есть запомненный выбор
одного варианта из нескольких возможных и равноправ-
ных. Однако вода при внешнем воздействии не выбирает
варианты. Варианты воздействия выбирает тот, кто
воздействует на воду извне. Воздействующий на воду
агент не обязан подчиняться ни законам термодинамики,
ни постулатам теории информации, а вода будет реаги-
ровать на само воздействие, исходящее от внешнего
агента, посредством изменения своего внутреннего со-
стояния.
Далее, согласно Шеннону [33], можно определить ко-
личество информации / через априорные вероятности pz.
Шеннон предположил, что приращение информации
равно утраченной неопределённости, и задал требова-
ния к её измерению через информационную двоичную
энтропию //, которая должна удовлетворять определён-
ным условиям. Шеннон показал, что информационная
энтропия имеет вид
п
Н= (1)
Z=1
где К — константа, необходимая только для выбора
единиц измерения (биты, байты или другие единицы
информации). Мера энтропии по Шеннону выражает
величину неуверенности при реализации случайной пере-
менной. При этом ^2^=iPi = 1. Таким образом, энтропия
является разностью между всей информацией, содержа-
щейся в сообщении, и той её частью, которая априори
точно известна или хорошо предсказуема. Выражение (1)
справедливо, если априорные вероятности выбора /-го
варианта pi не равны между собой (pi ф р^ ф ... ф Pi).
Если они равны, pi = д2 = ... = /?z = ... = д/7, то формула
(1) переходит в обычное выражение для новой (ранее не
известной) информации /, содержащейся в сообщении:
I=H = Klog2n. (2)
Причина такого перехода очевидна. При i = п имеем
р = \/п, т.е. — log2 (1 /и) = log2 п.
Однако использование выражений (1), (2) для описа-
ния процессов в воде проблематично. Причина этого
рассмотрена в разделе 2.2.
В-третьих, М.Д. Бальмаков пытался приспособить
понятие информационной ёмкости для описания конден-
сированных сред. Его статья в УФН так и называлась:
’’Информационная ёмкость конденсированных сред”
[34]. Идея статьи [34] состояла в том, что исходя из
первых принципов квантовой механики информацию
можно определить как количество минимумов адиаба-
тического электронного терма при копировании много-
атомной системы.
Однако для воды такое описание непродуктивно,
поскольку вода — неравновесная система и со временем
её состояние изменяется. Если на воду, находящуюся в
детальном (локальном) равновесии, воздействовать изв-
не, изменяя какое-либо из условий равновесия, например
температуру, давление, концентрацию внесённых других
молекул или внешние электромагнитные силы, то в воде
(как и в любой системе) усиливаются процессы, направ-
ленные на компенсацию внешнего воздействия. Это
известный принцип Анри Ле Шателье, который был
сформулирован ещё в 1884 г. и впоследствии обоснован
с позиции термодинамики [35, 36].
В-четвёртых, ситуация с термином память в прило-
жении к воде не проще, чем с понятием информация.
Память — это многозначное понятие, но в любом слу-
чае она связана с временными характеристиками сис-
темы, отвечающими за способность системы длительно
хранить информацию о событиях воздействия на неё. В
основе работы любого запоминающего устройства
лежит физический эффект, обеспечивающий приведение
системы к двум или более устойчивым состояниям при
внешнем воздействии. Следовательно, памятью можно
назвать сохранение реакции на внешнее воздействие на
протяжении некоторого временного интервала. При этом
энтропию и температуру можно определить через тер-
мин информация. Тогда энтропией можно называть меру
измеряемой в битах информации, но сохраняющейся в
слишком малых и многочисленных и поэтому не отсле-
живаемых молекулярных структурах воды. Температу-
рой в этом случае будет мера увеличения тепловой
энергии системы при дроблении одного бита энтропии.
Таким образом, на основе законов термодинамики мы
приходим к выводу: при повышении температуры воды
возрастает её энтропия, что приводит к уменьшению
информации, которую можно извлечь из воды, даже если
предположить, что эта информация существовала.
В-пятых, определение терминов и языка описания тех
или иных явлений — это результат договорённости.
Гораздо важнее в определении памяти требование дли-
тельного хранения вносимой информации. Понятие дли-
тельное хранение требует уточнений. Какой интервал
времени считать длительным: секунда, минута, год?
Примем условно, что во временных масштабах, исполь-
зуемых в человеческой практике, система, обладающая
памятью, должна хранить записанную в ней информацию
хотя бы в течение нескольких суток. Для многих живых
организмов с малой продолжительностью жизни (на-
пример, насекомых или бактерий) временной интервал в
секундном диапазоне уже является достаточно большим.
В связи с этим длительность времени запоминания сле-
дует также считать результатом договорённости. При
прекращении внешнего воздействия интервал времени
запоминания определяется характеристическим време-
нем установления термодинамического детального рав-
новесия в физической системе (например, во льду, воде
или паре). Однако установление равновесия по каждому
из параметров в многопараметрической системе проте-
кает по-разному, поскольку одновременно сосуществует
иерархия разных шкал времени, например:
— фемто- или пикосекундные шкалы времени раз-
рыва водородных связей, которые определяются со-
отношением квантовой и тепловой энергий h/k^T ~
~ 1,6 х 10 13 с, где /<в — постоянная Больцмана, h —
постоянная Планка, Т— температура;
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
47
Рис. 1. Демонстрация принципа дополнительности на примере двух изображений одного и того же ландшафта. Снимки (а) и (б) сделаны
одновременно: (а) в видимом свете, (б) в ИК-области с длиной волны 3-5 мкм; (в) разностный снимок между снимками (а) и (б). Вода хорошо
поглощает волны в ИК-диапазоне, поэтому отчётливо выделяются облака и другие насыщенные водой элементы ландшафта.
— минутные шкалы достижения равновесия раство-
рённых в воде газов, которые определяются диффузион-
ными переносами в воде (коэффициент диффузии
D~ 1О“10 м2 с”1);
— часовые шкалы остывания воды, которые опреде-
ляются диффузионным переносом тепла, т.е. теплоём-
костью и температурной проводимостью воды %w ~
~ IO’7 м2 с-1;
— многочасовые шкалы конвективного перемешива-
ния воды вследствие её объёмного расширения и испаре-
ния в открытых бассейнах (коэффициент объёмного рас-
ширения воды Р ~ 10-4 К-1) и т.д.
Поскольку вода во всех своих состояниях не является
равновесной системой в полном смысле этого понятия,
для неё характерны задачи с ненулевыми начальными
условиями. В воде всегда запасена тепловая энергия,
приводящая к движению её молекул. Иерархия вре-
менных масштабов создаёт иерархию пространствен-
ных масштабов 5Z.
Очевидно, что если регистрировать индивидуальные
молекулярные события в воде, то необходимо в качестве
измерительных приборов использовать квантовые пере-
ходы. На проблему границы между классической и
квантовой механикой ещё в 1958 г. обратил внимание
Нильс Бор, который в книге Атомная физика и человече-
ское познание (глава ’’Квантовая механика и биология”)
[37] писал: "Из свойственного классической физике детер-
минизма следует, что всякое возмущение системы, со-
стоящей из огромного числа частей, непременно приводит
к хаотическому беспорядку. В квантовой же физике это
описание отражает результат взаимодействия между
устойчивыми атомными системами, поэтому оно осно-
вывается на исходе конкуренции между различными ин-
дивидуальными процессами. Эти процессы простым обра-
зом определяют состояние новых систем через посред-
ство содержащихся в них атомных частиц, подобно
тому, как они определяли бы первоначальное состояние
системы. Подобное же описание, с надлежащими уточне-
ниями, соответствует и химической кинетике".
Непрерывное появление молекулярного беспорядка в
воде стёрло бы структурную память воды, даже если бы
она существовала. Кроме того, сам процесс измерения
повышает энтропию и уничтожает информацию. Н. Бор
постоянно подчёркивал наличие при исследованиях прин-
ципа дополнительности. Проиллюстрируем этот прин-
цип простым примером исследования некоторого ланд-
шафта в двух диапазонах длин электромагнитных волн
(рис. 1а, б).
Идея принципа дополнительности Н. Бора проста.
Каждое вещество (каждый процесс) имеет иерархию
обличий. Эти обличия, т.е. внешние проявления, опреде-
ляются номенклатурой элементов, их пространственным
расположением, силой связей между ними, скоростями
их изменения во времени и пространстве при обычных
и экстремальных условиях, приводящих к нарушению
структуры, и, наконец, временем самовосстановления
структуры. Для регистрации поведения воды весьма
важным оказалось создание высокочувствительного
инфракрасного (ИК) матричного тепловидения, кото-
рое позволило визуализировать регистрацию изменения
во времени макроструктуры воды, но и этот метод имеет
много ограничений, в частности не позволяет видеть
молекулярные события, создающие эти макрострук-
туры. Для этого нужны другие методы (см. раздел 4.1).
Сумма бесконечно большого количества столкнове-
ний молекул воды трансформируется в макроструктуры
воды в другом, более крупном, пространственно-времен-
ном масштабе. Поэтому для понимания процессов, про-
исходящих в воде, требуется одновременный учёт не-
скольких иерархических уровней (по крайней мере, двух).
Исходным пунктом связей пространственно-временных
уровней является разложение силы, действующей на
частицу (ион, молекулу или кластер из молекул) на
любом иерархическом уровне на две составляющие:
систематическую (трение —avt или вязкость, что будет
рассмотрено в разделе 2.3) и случайную Ft, обусловлен-
ную не прекращающимся ни на миг тепловым движе-
нием частиц воды. На основе классической механики
Ньютона можно записать
mvt = —avt + Ft. (3)
Поскольку сила Ft обусловлена многочисленными
столкновениями более лёгких частиц (ионов или моле-
кул) с более тяжёлыми кластерами из конгломерата
молекул (механизм их возникновения рассмотрен в раз-
деле 4.1), правдоподобным является предположение, что
Ft изменяется в быстром временном масштабе. Разделив
обе части уравнения (3) на массу т. запишем его в виде
Vt = -yv, + , (4)
где ^, = Ft/m. Полагая, что £, имеет короткую, но не
нулевую память, выражение (4) можно интерпретиро-
вать как систему обыкновенных дифференциальных
уравнений для траекторий и, следовательно, задачу
48
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
можно решать потраекторно. Этот упрощённый подход
в терминах классической механики вряд ли таит в себе
особые опасности, если допущение о линейности поведе-
ния воды на молекулярном уровне справедливо. Решение
уравнения (4) имеет вид
vt = VQ exp (-yt) + exp (y(s - /)) ds. (5)
Jo
Здесь предполагается, что временной интервал [s, t]
может быть разбит последовательностью точек, т.е.
s = to < ti < ... < tn = t. При этом дискретное время
становится непрерывным, если величина шага стре-
мится к нулю при п ею.
Если распределение скоростей vt соответствует рас-
пределению по закону Гаусса, a vq — начальная скорость,
определяемая средней температурой воды до начала
воздействия, то это начальное условие будет зависеть
только от температуры бассейна. В таком случае процесс
полностью характеризуется средним значением X{vt}
какого-либо из параметров X воды, связанного со
временем, и корреляционной функцией X{vt,vt+T}, кото-
рые характеризуют структурные изменения воды.
Поскольку изменяется в быстром временном
масштабе, функция стационарного процесса по прост-
ранству У{<^, ^5/} = <p(s — s') должна иметь резкий пик в
окрестности нуля и быстро стремиться к нулю при
уменьшении |s — s'| по шкале времени. Для распределе-
ния Гаусса можно принять, что при квазиравновесии
скорость vg = v, где v — средняя скорость смещения, а
среднее характеристическое время смещения молекул
т = 1/у (см. выражение (3)). Для каждой из температур
бассейна средние времена смещения частиц на величину I
будут разными: I = т.
По порядку величины т совпадает со временем уста-
новления локального равновесия в выделенном мик-
рообъёме жидкости V Т3, где I — средняя величина
линейного смещения молекул [38]. Если размер бассейна
L много больше /, L^>1, то переход от локального рав-
новесия к полному равновесию будет содержать в себе
большое количество случайных столкновений на моле-
кулярном уровне. Для того чтобы количество столкнове-
ний несильно изменялось во времени, необходимо тер-
мостатирование бассейна. Например, характеристиче-
ское время тт выравнивания температуры в бассейне
размером L выражается как
L2
• (6)
Z
Поскольку температуропроводность воды % пропор-
циональна /2, в результате получим
тг ~ (у) . (7)
Другими словами, интервал времени прихода к термо-
динамическому равновесию возрастает в (L/ly раз.
Отсюда понятно, что интервалы времени зависят от
размеров системы. То, что мы наблюдаем в океане [39-
45], мы не можем наблюдать в чашке Петри, напротив,
то, что мы обнаруживаем в тонких слоях на малых
временах в небольшой чашке [46-58], мы не замечаем в
океане.
В-шестых, интервал времени сохранения информации
после прекращения внешнего воздействия на воду,
включая удаление растворённых веществ (например, с
помощью дистилляции или многократного разведения),
всегда ограничен (как и в любой физической системе).
Обычно в технике память реализуется с помощью по-
рогового спускового механизма типа триггера, одному
состоянию которого можно приписать значение 1, дру-
гому — 0. Однако в жидкой воде память могла бы
создаваться другим путём — на основе длительной
релаксации после прекращения возбуждения. Хотя реги-
стрируемый параметр, например локальная темпера-
тура, в переходном процессе со временем уменьшается,
вводя порог регистрации изменения локальной темпера-
туры, получим два состояния. Надпороговое состояние
можно принять за 1, а подпороговое — за 0. В физике для
такого интервала времени принято использовать термин
характеристическое время релаксации [39].
Строго говоря, интервал времени, необходимый для
установления полного термодинамического равновесия,
бесконечно велик, но в процессе релаксации всегда
наступает ситуация, при которой параметры XZ7, описы-
вающие состояние системы (например, плотности р,
температуры Т и др.), лишь незначительно отличаются
от своих равновесных средних значений XZ7. Эта разность
не может быть зарегистрирована, поскольку регистрация
малых изменений требует больших энергий, вносимых в
систему. В результате мы измеряем не сам интервал
времени, а реакцию системы на процесс измерения.
Отметим, что скорости изменения во времени соответ-
ствуют выражениям [59]
, Xj = - — Хи ~ Xj) •
dt Tij
Отсюда для каждого у-го параметра имеем
- X = (X - Х)/=оехр (-2) , (8)
где интервал времени tz- — время релаксации, или
характеристическое время достижения равновесия по
z-му параметру. Величину 1/tz- = vz можно назвать часто-
той релаксации. Очевидно, что физическая система,
достигнув равновесного состояния по одним парамет-
рам, может временно остаться неравновесной по другим,
т.е. не достичь состояния полного равновесия. С точки
зрения статистического термодинамического описания,
во всех первоначально неравновесных процессах по мере
их прихода к равновесию энтропия возрастает, а
запомненная информация теряется [31]. Примеры меха-
низмов восстановления информации в интервале вре-
мени релаксации мы рассмотрим в разделе 2.2.
В-седьмых, жидкая вода, как показано в разделе 4,
принципиально не может служить долговременным хра-
нилищем информации. Причина — неустранимые и
неконтролируемые непрерывные изменения воды в про-
цессе её движения. В воде даже в состоянии льда нет
абсолютного устойчивого равновесия (см. раздел 4.2). Во
льду возникают дислокации, внутренние напряжения и
перемещения, а с поверхности воды всегда идёт испаре-
ние. Вода в жидком состоянии — это неравновесная сис-
тема. Поэтому в воде может существовать лишь деталь-
ное (локальное) равновесие. Его суть заключается в квази-
равенстве непрерывных прямого и обратного переходов
между дискретными состояниями воды. При переходах
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
49
всегда возникают отклонения от полного равенства пря-
мого и обратного переходов. Ниже будет показано, что
невыполнение условия полного равенства также способ-
ствует разрушению в воде любых молекулярных матриц,
а следовательно, и долговременной памяти.
Поясним подробнее понятие детального равновесия,
которое используется при описании конденсированных
систем как в классической физике, так и в квантовой
механике. В общем случае принцип детального равнове-
сия можно сформулировать как равенство вероятностей
перехода, отнесённых к конечному квазиустойчивому со-
стоянию. Для конечного состояния равновесия требуется
выполнение условия
Рп) = О,
(9)
п^т
где t — время, р„, ~ ртт и р„ ~ рт — вероятности того,
что система находится в состояниях тип, соответствую-
щих диагональным элементам матрицы плотности
сопт — вероятность прямого перехода системы из
состояния п в состояние т, wmn — вероятность обрат-
ного перехода. Детальное равновесие требует равенства
нулю только некоторых членов суммы (9), т.е.
Введение термина информация вряд ли может доба-
вить что-либо новое в изучение конденсированных сред.
Два столетия исследователи конденсированных сред, в
том числе и воды, обходились без этого понятия. Тем не
менее, поскольку речь идёт о памяти, без информацион-
ного подхода к описанию процессов в воде обойтись
нельзя, так как термины память и информация связаны.
2.2. Предмет дискуссии
в терминах теории информации
Условно можно выделить три модели систем, запоми-
нающих информацию: статическая детерминированная
модель, динамическая детерминированная и динамиче-
ская детерминированно-стохастическая модель. Пояс-
ним их различие на простых примерах.
На рисунке 2 показано изменение качества изображе-
ния во времени. Такая метаморфоза соответствует,
например, любому печатному изображению. Со време-
нем рисунок выцветает, бумага желтеет, изображение
исчезает, наконец, бумага рассыпается. Если количество
информации обозначить как Iq, то, согласно выражению
(2), при двоичном коде записи и t = 0 получим
To = Hog2y, (13)
СО пт СОпт
СОтп Рт — СОпт Рп ч ИЛИ — .
Рп Рт
(10)
Для замкнутых изолированных систем принцип деталь-
ного равновесия сводится к равенству оотп = сопт, так как
рт = рп, следовательно, рт = рп. Казалось бы, таким
условиям отвечает, например, находящийся при по-
стоянных температуре и давлении наполненный водой
бассейн, накрытый крышкой, которая исключает испа-
рение воды. Если же система является открытой и
взаимодействует с другой, большей, системой, то,
согласно принципу детального равновесия,
где N — число точек (пикселей) в пространстве изобра-
жения, к — количество регистрируемых градаций интен-
сивности в каждой точке изображения. Со временем
количество информации I будет уменьшаться (рис. За)
по закону
(14)
Если амплитуда сигнала имеет к градаций, а оценка их
производится при основании логарифма не 2, а Ь, то
СО пт Ет
----= ехр —
СО пт ^B Т
/0 = klogbN.
(15)
(11)
где Еп и Ет — соответственно энергии состояний пит.
Для пара, как газа, подчиняющегося статистике Больц-
мана, принцип детального равновесия принимает вид
уравнения Фоккера-Планка, которое связывает скоро-
сть изменения вероятности во времени t с координатами
энергетических максимумов по пространству х. Для
одномерного случая уравнение Фоккера-Планка прини-
мает простой вид [38]:
При этом значение к в точках отсчёта можно определить
с точностью, которую допускает соотношение сигнал/
шум. Как следует из теории информации, при равнове-
роятном появлении в любой точке амплитуды сигнала
&СО
fit
б / дсо'
о- [D —
ох \ ох
(12)
где D — коэффициент диффузии.
Воздействие на систему, находящуюся в состоянии,
близком к равновесию, приводит к смещению этого
равновесия в направлении, при котором эффект про-
изведённого воздействия ослабляется. Этот принцип
Ле Шателье применим к переходным процессам при
стремлении к равновесию любой системы (например,
эффект Ленца, явление Пельтье и т.п.), в том числе и
воды. Для конденсированных сред увеличение давления
смещает равновесие в сторону реакции, ведущей к умень-
шению объёма. Увеличение концентрации исходных ве-
ществ и удаление продуктов реакции смещают равнове-
сие в сторону прямой реакции и т.д.
Рис. 2. Метаморфоза изображения: (а) при статической детермини-
рованной памяти, (б) при динамической детерминированной памя-
ти, (в) при динамической детерминированно-стохастической памяти.
4 УФН, т. 184, № 1
50
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
Рис. 3. Изменение количества информации в системах со статической детерминированной памятью: (а) в декартовых координатах, (б) в
полярных координатах без учёта шума, (в) в полярных координатах с учётом шума (один из вариантов).
Рис. 4. Система с обратной связью, (а) Телевизионная передающая трубка с периодом смены кадров т принимает изображение с монитора и
вновь воспроизводит его на мониторе, (б) График количества информации во времени в такой системе в декартовых координатах без учёта
шума практически не зависит от времени, (в) График количества информации во времени с учётом шума в такой системе в декартовых
координатах зависит от времени.
изображения весь диапазон изменения амплитуд можно
разбить на к градаций:
к = л/1 + а , (16)
V
где Ps — мощность сигнала, Рп — мощность шума, а —
коэффициент запаса, зависящий от статистических
свойств сигнала и помехи. Наличие в подкоренном
выражении единицы определяется существованием
некоторого уровня при нулевой энергии сигнала (на-
пример, уровня чёрного). Фазовый портрет системы,
обладающей такой статической детерминированной
памятью, имеет форму стягивающейся в точку спирали
(рис. 36).
На рисунке 26 показано изменение качества изобра-
жения во времени при динамической детерминированной
памяти без шума. Такое изменение могло бы соответ-
ствовать, например, системе с обратной связью, которая
периодически обеспечивает восстановление информации
при незначительном уровне шума. Создать техническую
модель такого динамического детерминированного за-
поминающего устройства несложно. На рисунке 4а по-
казан один из вариантов подобного устройства, состо-
ящего из цифровой телевизионной передающей трубки и
цифрового монитора, соединённых обратной связью.
Казалось бы, если выполняется условие Р& > Рп, то в
такой системе не будет потери информации: Iq = const
(рис. 46), и система будет обладать долгоживущей ди-
намической памятью. Время сохранения информации
определяется временем жизнеспособности элементов са-
мой системы и надёжностью подачи энергии, обеспечи-
вающей работу элементов, создающих обратную связь,
— в данном случае цифрового монитора и телевизион-
ной воспринимающей трубки.
Сторонники долгоживущей структурно-динамиче-
ской памяти воды предполагают, что в воде существует
нечто подобное такому устройству с обратной связью,
поскольку вода является неравновесной открытой систе-
мой, имеющей динамическую непрерывно восстанавли-
вающуюся молекулярную структуру, основанную на во-
дородных связях и силах Ван-дер-Ваальса. Эта структура
динамически могла бы сохранять своё информационное
наполнение длительное время. Так ли это?
Если Ps > Рп, то в такой системе, в соответствии с
выражениями (14)-(16), будет быстро происходить по-
теря информации: lim I 0 при ' — —х. Допус-
тим, что мы имеем идеальную одномерную систему с
обратной связью и широкой полосой пропускания (по-
хожую на изображённую на рис. 4а) и в этой системе
наряду с сигналами присутствует ’’белый шум”1 (т.е.
тепловой шум с однородным спектром и гауссовым рас-
пределением амплитуд), а информация в каждой точке
возобновляется одновременно в моменты пт, т.е. при
целочисленных значениях t/т. Можно предполагать сле-
дующее:
1) если А/2 (где А — амплитуда сигнала) в данной
точке больше амплитуды шума, то сигнал присутствует;
2) если Л/2 в данной точке меньше амплитуды шума,
то сигнал отсутствует.
Однако такой вывод неверен, поскольку он не учи-
тывает дисперсии шума. При белом шуме вероятность
1 Такой шум возникнет, если между монитором и передающей
трубкой находятся рассеивающие свет частицы.
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
51
7 999,975
£ 999,950
999,925
л
О 999,900
н 999,875
д 999,850
999,825
Рис. 5. Зависимости параметров жидкой воды, имеющих при постоянном атмосферном давлении экстремумы при изменении температуры.
Температура, °C
функции ошибки одномерной случайной величины х вы-
ражается в виде
1 f00 / ;2 \
pi=—= expl—— )dZ, (17)
у2л \ 2 /
где А = х — ц, д — математическое ожидание шума как
случайной величины. При таком распределении вероят-
ностей утверждение о том, что превышение А/2 над
амплитудой шума обязательно свидетельствует о нали-
чии сигнала, может быть ошибочным. При гауссовом
распределении вероятность ошибки дз = 1 — р\ или
А/2а, отсюда получим
(|8)
где о — среднеквадратичное значение шума, при этом
мощность сигнала Р& ~ Л2, а мощность шума Рп ~ а2.
При уменьшении мощности сигнала Ps отношение Р$/Рп
очень быстро убывает. Даже небольшое уменьшение
отношения Ps/Pn делает задачу сохранения информации
в любой точке системы неразрешимой. Потеря информа-
ции будет происходить, хотя в гистограмме потери
информации и будут иметься плоские участки, как
видно из рис. 4в.
Рисунок 2в иллюстрирует появление зашумлённости
изображения при примеси белого шума в системе с об-
ратной связью. Фазовый портрет системы с уменьшаю-
щимся из-за шума количеством информации (рис. 4в),
так же как и фазовый портрет системы с шумом, пред-
ставленной на рис. Зв, становится странным аттракто-
ром.
Возникает вопрос: можно ли с помощью обратной
связи периодически очищать изображение от шума?
Ответ: это сделать практически невозможно. Поясним
причину такого ответа. Чтобы восстановить изображе-
ние, необходимо знать вклад шума и характер его
распределения во времени. Кроме того, необходимо
декодирующее устройство, которое на каждом цикле
работы обратной связи очищало бы изображение от
шума. Иначе говоря, декодирующее устройство должно
’’запоминать” предыдущее изображение и сравнивать его
с возникающим, т.е. обладать памятью. Если обозна-
чить как /?z состояние памяти в данный z-й момент
времени, а через X — следующее изображение, то
функция yi = f(phXj) будет кодовым обозначением изо-
бражения Х+1. При этом память на каждом следующем
этапе очистки сигнала от шума должна принимать новое
состояние, также зависящее от Xi+i и /?z:
/?,.+1=Ж,Х+1). (19)
Таким образом, мы приходим к рекуррентной операции,
которая могла бы сохранять исходную информацию
неизменной. Однако, для того чтобы декодирующее
устройство могло сохранять информацию на большом
временном интервале, оно должно обладать бесконечно
большой памятью. Этот результат К. Шеннона (седьмая
теорема Шеннона)2 сходен с положением в термодина-
мике, где только полностью обратимый процесс не
изменяет энтропию, тогда как при необратимом про-
цессе энтропия возрастает [31, 33].
При этом есть ещё одна проблема: требуется опреде-
лённый интервал в шкале градаций между соседними
уровнями кодовых комбинаций. Это требование необхо-
димо для обеспечения разделения дисперсии шума в со-
седних уровнях. Интуитивно это понятно, поскольку
чтение любого текста, написанного без разделения слов,
затруднено, восприятие информации, заключённой в
тексте, может сильно искажаться.
Обозначим этот интервал как Оо, где 0 — постоянная,
ст — среднеквадратичная величина шума. Полный диапа-
зон оценки величины амплитуды составит ±0сг(& — 1).
При этом появляется экстремум мощности полезного
сигнала как функции от б о (к — 1). Если функция симмет-
рична относительно нуля, то минимальное значение
этого экстремума лежит в интервале [60]
(-y(fc-l), y(fc-l)}. (20)
Средняя мощность сигнала в предположении равной
вероятности всех уровней имеет вид
(21)
Выражения (18)-(20) можно трактовать в терминах
экстремумов параметров воды. Например, с одной сто-
роны, увеличение плотности воды при температуре около
4 °C (рис. 5а) соответствует минимальному значению
необходимого сигнала. С другой стороны, расщепление
молекул воды, например, на ионы Н+, (ОН)- или НзО+,
H5OJ и т.д. и сравнительно длительное присутствие
таких ионов в воде могут соответствовать изменению
основания логарифма b в выражении (15) для нагретой
воды, имеющей минимальную теплоёмкость и низкую
изотермическую сжимаемость при температуре 40 °C
(рис. 56, в).
Энтропия Ао, по Больцману, имеет вид = /<в log/, N.
Это выражение совпадает с выражением (13) для инфор-
2 Седьмая теорема Шеннона гласит: любое техническое устройство
{кодирующее или декодирующее) уменьшает, а в лучшем случае
сохраняет имеющуюся информацию.
4*
52
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
Рис. 6. Зависимость динамической вязкости воды от температуры
при постоянном атмосферном давлении.
мации, N— число микросостояний. Различие энтропии и
информации состоит только в том, что они имеют раз-
ные знаки и являются антиподами. Энтропия — это по-
терянная информация (в данном случае функция шума), а
информация — это функция сигнала.
В холодной воде с максимальной плотностью все
скорости переходных процессов уменьшаются, времена
релаксации увеличиваются, следовательно, внесённая
каким-либо способом информация будет сохраняться
дольше, а энтропия увеличиваться медленнее. В тёплой
воде, напротив, времена релаксации уменьшаются, ин-
формация ’’живёт” меньше, а энтропия возрастает быст-
рее. В любых системах шум и искажения сигнала нака-
пливаются. Чем больше размеры системы, тем больше
шум.
Любые реакции в воде всегда будут идти быстрее при
повышении её температуры. Фотодиссоциация воды под
действием ультрафиолетового (УФ) излучения приводит
к распаду её молекул на ионы Н+ и (ОН)-. Другой
хорошо изученной реакцией является радиолиз воды
под действием ионизирующего облучения с образова-
нием Н2, Н2О2 и свободных ионов Н+, (ОН)-, НО^5. При
этом на каждые 1,6 х 10-17 Дж энергии распадается в
среднем четыре молекулы воды [61].
В воде, как и в любой жидкости, вязкость замедляет
процессы релаксации, но вязкость также зависит от
температуры (рис. 6).
2.3. Возможные неточности
трактовки термина ’’вязкость”
Для медленных релаксаций в жидкостях вероятности
микросостояний процессов в общем случае не равны. В
молекулярных жидкостях кинетические коэффициенты
выражаются через вероятности столкновений не только
отдельных молекул, но и их ансамблей, т.е. имеющих
одинаковую температуру водных кластеров, в которых
молекулы связаны водородными силами и взаимодей-
ствиями Ван-дер-Ваальса.
Наличие вязкости жидкости объясняет упомянутый
ранее принцип Ле Шателье. Это кажется банальным, но
за банальностью скрывается суть, непонимание которой
может приводить к ошибочным выводам. Какой физи-
ческий смысл заключается в понятии динамическая вяз-
кость?
В процессе движения жидкости происходит перенос
количества движения, так же как в процессе теплопро-
водности происходит перенос тепловой энергии, а в про-
цессе диффузии — перенос массы. Явления, развиваю-
щиеся с влиянием вязкости, рассеивают энергию, и про-
цесс становится необратимым. Ньютон в книге Матема-
тические начала натуральной философии (конец XVII в.)
ввёл понятие ’’недостаток скользкости”: "Сопротивление,
происходящее от недостатка скользкости жидкости,
при прочих одинаковых условиях предполагается пропор-
циональным скорости, с которою частицы жидкости
разъединяются друг от друга" (книга вторая Начал,
раздел IX ”О круговом движении жидкости”, цитируется
по [62]).
Казалось бы, ’’недостаток скользкости” — это сино-
ним современного понятия ’’вязкость”, но это не так.
Ньютоновское понимание вязкости отличается от совре-
менного её понимания. Ньютон предполагал, что вяз-
кость пропорциональна скорости, в то время как вяз-
кость пропорциональна квадрату скорости, т.е. энергии.
На эту ошибку в конце XIX в. указал Стокс [63]. Если бы
всё было так, как предполагал Ньютон, то система была
бы обратимой во времени, т.е. при смене направления
скоростей молекул в жидкости на противоположное она
вновь собралась бы в первоначальную структуру. Дру-
гими словами, вода обладала бы памятью и сохраняла
информацию, которую можно было бы извлекать обра-
щением движения во времени. Однако это противоречит
второму закону термодинамики, поскольку в любом
процессе энтропия возрастает, а следовательно, инфор-
мация теряется.
Можно, казалось бы, сконструировать искусствен-
ную систему, которая приводила бы к обращению вре-
мени в движении воды и сохраняла бы информацию.
Например, рассмотрим устройство в виде двух коакси-
альных вращающихся цилиндров с разными радиусами г
и R, R> г, помещённых в жидкость. Сначала будем
вращать внутренний цилиндр при неподвижном внеш-
нем в течение времени Ат. Затем внутренний цилиндр
остановим и будем вращать в противоположную сто-
рону внешний цилиндр в течение того же времени Ат.
Вернётся ли молекулярная структура воды после обрат-
ного вращения в своё первоначальное состояние? Ответ
— нет.
Если интервалы времени вращения Ат много больше
характеристических времён воды ti и Т2, то система будет
успевать приходить в детальное стационарное состоя-
ние. По Ньютону, время оборота слоя жидкости на
расстоянии L от оси вращения цилиндра радиусом I
I
в действительности, как показал Стокс, оно выражается в
виде
Т1 - £2 >
(22)
где то — время оборота цилиндра.
Из рассуждений Ньютона следует, что в стационар-
ном случае момент касательных сил М, действующих на
единицу длины цилиндрической поверхности слоя жид-
кости, находящегося на расстоянии L от оси вращения,
будет
9 dF
М = 2л1хц — ,
(23)
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
53
где ц — коэффициент динамической вязкости жидкости,
V— скорость движения.
Однако если ввести угловую скорость
® = (24)
то тогда для М получим другое выражение:
М = 2я£2^ L . (25)
При установившемся движении жидкость, заключённая
между двумя цилиндрическими поверхностями, обладает
моментом количества движения, который должен оста-
ваться неизменным, а в выражении (25) он зависит от L.
Чтобы ликвидировать это противоречие, необходимо
предположить, что частота вращения жидкости со дол-
жна иметь вид
® = у-+С2, (26)
где Cj и С2 — постоянные. Таким образом, уравнение
Ньютона справедливо только для твёрдых тел, а для
воды оно не работает.
Эти парадоксы впервые были рассмотрены Стоксом
и Сен-Венаном (см. анализ этих работ в статье И.Л. Фа-
белинского, опубликованной в УФН [64]).
Если жидкость занимает большой объём и находится
в установившемся состоянии вращения, а внутренний
цилиндр вращается с угловой скоростью coq, то
со /2
COq L2
(27)
Следовательно, момент силы трения, действующий на
единицу длины поверхностного слоя жидкости,
М = 4тщ/2соо •
(28)
(29)
(30)
Если рассмотреть такую ситуацию, в которой два ко-
аксиальных цилиндра имеют близкие радиусы, R — г с,
то вычисления дают следующий результат [64]:
г2 Я2-£2
® - £2 А2 _ г2 ®° •
Для момента силы трения вместо (25) получим
r2R2
М = 4ГО/ Л2_г2 •
При R — г с выражение (30) принимает вид
, т £- 11
М = 2пц — coq —> ею .
8
Вода при тонком её слое не является хорошим смазоч-
ным материалом. Тонкий слой воды из ламинарного
движения переходит в турбулентное, поэтому момент
силы трения возрастает. Величина момента силы трения
для воды будет зависеть от того, гидрофобной или
гидрофильной является поверхность цилиндров, т.е. от
прилипания воды к поверхностям цилиндров. При этом
может возникнуть гидратация поверхностей.
(31)
2.4. Связанные состояния воды
Отметим важность связанной воды для всех систем,
находящихся в водной среде. Почти все биологические
процессы на молекулярном уровне зависят от гидрата-
ции (проникновения ионов в клетку, конформации и
ферментативной активности белков и нуклеиновых
кислот). Связывание воды с органическими и неоргани-
ческими соединениями в основном происходит вслед-
ствие разрыва молекулярных связей между протоном и
группой (ОН)-, что приводит к образованию ионов. При
включении молекул воды часто образуются кристалло-
гидраты иногда весьма красивых цветов и оттенков
(например, ярко-синий гидрат C11SO4 х 5Н2О — медный
купорос).
Часто кристаллогидраты и гидроксилы образуются
на основе реакции со значительным выделением тепла. В
частности, при образовании бетона из цемента при со-
единении с водой выделяется до 120 кал на 1 г цемента.
Чтобы сделать такую реакцию обратимой, необходимо
приложить большую энергию, например, посредством
механического дробления бетона или многократного
сильного нагрева и охлаждения. Чтобы кристаллогид-
рат медного купороса вновь превратить в обезвоженную
соль, его необходимо нагреть до температуры 531 К.
Реакция пройдёт по цепи переходов с весьма заметным
изменением цветов: CUSO4 х 5Н2О (ярко-синий цвет)
C11SO4 х ЗН2О (голубой) C11SO4 х Н2О (белый)
C11SO4 (обезвоженная соль бело-сероватого цвета).
Композитные материалы с включением гидроксила
ОН и связанной воды также весьма устойчивы, напри-
мер, гидроксил апатита Саы(РО4)6(ОН)2 служит одним
из важных компонентов костей человека. Структуру
кости составляют коллагеновые волокна, окружённые
гидроксил-апатитом, который упакован в пластины. По-
этому кости имеют большое сопротивление сжатию.
Сами кости по весу состоят из 25 % воды, 30 % органиче-
ского вещества и 45 % минералов. С возрастом человека
количество воды уменьшается. Кости благодаря своему
составу и морфологии являются долгоживущим подвиж-
ным элементом живых организмов [65].
Гидратацией также называют соединение молекул и
ионов воды с коллоидными частицами. Активные нерав-
новесные коллоидные суспензии демонстрируют физиче-
ские свойства, не присущие ’’чистой” воде, они понижают
вязкость, повышают самодиффузию, а также проявляют
другие необычные свойства. Недавно в УФН была опуб-
ликована интересная статья И.С. Арансона ’’Активные
коллоиды” [66].
Если исходные вещества обладают гетерогенной
поверхностью с чередующимися гидрофильными и гид-
рофобными зонами, то вода присоединяется к гидро-
фильным поверхностям (постепенно растворяя их), а
гидрофобные области стремятся замкнуться внутрь или
присоединиться к границам бассейна, если его стенки
образованы гидрофобным веществом. При этом могут
появляться структуры с разнообразной конфигурацией
[67]. Тонкие слои воды теряют текучесть, могут суще-
ствовать долго и служить элементами памяти.
Вокруг натянутого в виде струны полимера с чере-
дующимися гидрофильными и гидрофобными участ-
ками возникает подвижность молекул воды и её ионов.
Молекулы воды притягиваются к гидрофильным участ-
кам полимера и отталкиваются от гидрофобных. Вслед-
ствие вязкости и непрерывности возникает колебатель-
54
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
ное движение слоёв воды. Такое движение может проис-
ходить долго, до тех пор пока ко всем гидрофильным
участкам полимера не присоединятся молекулы или
ионы воды. На границах фаз нерастворимых в воде
жидкостей можно наблюдать множество интересных
подвижных образований [55, 60, 68]. Однако это не
структурно-динамическая память воды, а память сис-
темы ’’молекулы или ионы воды + гидрофильные и
гидрофобные поверхности включений в неё”.
Образно говоря, вода на молекулярном уровне — это
не более чем ’’тепловая молекулярная рулетка” с почти
равновероятным предоставлением ситуаций для гидра-
тации, а сам выбор осуществляется внесённым агентом
— гидратируемым веществом. Скорость выбора ’’поля”
в этой квазирулетке определяется скоростью перебора
молекулярных состояний воды, которые в свою очередь
зависят от температуры, давления и состава поверхнос-
тей веществ.
2.5. Локальные изменения энтропии
при связывании воды с веществами
На первый взгляд может показаться, что образование
устойчивых соединений с водой и её ионами нарушает
законы термодинамики, поскольку увеличивает характе-
ристическое время релаксации системы ’’молекулы или
ионы воды + поверхности включённых веществ”, что
приводит к возрастанию информации, заключённой в
системе. Однако это не так [31].
Если микрочастица некоторого вещества может при-
соединять молекулы и ионы воды, то она накапливает
информацию о взаимодействии с водной средой посред-
ством изменения своих физических параметров, напри-
мер объёма. На первом этапе при присоединении моле-
кул или ионов воды происходит уменьшение (или
увеличение) структурной энергии вещества через повы-
шение (понижение) энтропии только водной среды (но не
системы в целом). При восстановлении первоначального
объёма вещества потребуется внести в систему дополни-
тельную либо механическую, либо тепловую энергию.
Только часть этой энергии, аккумулированной в напря-
жённой структуре вещества при его гидратации, возвра-
щается обратно. Другая часть переходит в тепло и рас-
сеивается в воде, нагревая её.
Частица является упорядоченной частью системы
’’вода + частицы”. Поскольку масса частицы возросла,
то, казалось бы, должна возрасти упорядоченность
системы в целом, т.е. понизиться энтропия. Однако и
молекулы воды, и частицы вещества до этого находились
в единой системе. Возникает парадокс: откуда взялась
энергия на понижение энтропии системы, если извне она
не поступала? Ответ прост. В этом случае происходит
перераспределение энергии, которая уже содержалась в
системе и была затрачена при создании изменённой
частицы при гидратации (’’структурная энергия”). Если
учитывать структурную энергию при составлении энер-
гетического баланса системы ’’вода + частица”, то энтро-
пия системы всегда увеличивается, а информация умень-
шается.
Проиллюстрируем это положение рассмотрением,
например, образования бетона из цемента при гидрата-
ции цемента. Пусть каждая молекула воды, распадаясь
на фрагменты, присоединяется к частице цемента, из-
меняя её массу на Дш. При этом в водную среду вы-
деляется энергия А#, что увеличивает энтропию воды на
величину
ASW=^,
Э w
(32)
где Agw — количество внесённого в воду тепла, Tw —
температура воды. От нагретого до температуры Тс
гидроксила цемента (бетона) тепло будет передаваться
воде с температурой Tw. Причём Тс > Tw, поскольку
гидроксил цемента теряет тепло, а окружающая вода
его приобретает, |— Ддс| = |Agw|. Так как |A#W| > 0, от-
сюда получим
A5w + A5c = |m(T-T) > 1- (33)
\ W с /
Из выражения (33) видно, что общая энтропия в
системе ’’вода + гидратируемая частица” возросла и, сле-
довательно, информация уменьшилась. При нагреве
воды её испарение будет увеличиваться, поэтому общая
энтропия всей системы ’’вода + частицы-гидраты + пар”
будет возрастать:
— Sc + <SW + <SV ,
(34)
где Sv — энтропия пара. Проведённые элементарные
выкладки показывают, что все процессы гидратации
подчиняются законам термодинамики.
При этом следует отметить, что вещества, связав-
шие молекулы или ионы воды, могут прикрепляться к
стенкам сосуда с водой и отрываться от них лишь под
действием значительных тепловых флуктуаций воды.
Эти события являются возможными, но редкими. Так-
же без притока дополнительной энергии редким собы-
тием является разрушение таких веществ, т.е. обрати-
мость процесса.
Однако вероятность обратимости существует. Но она
определяется не столько изменением объёма воды при
разведении, сколько флуктуациями (механическими, тем-
пературными или под воздействием электромагнитных
полей) на стенках сосуда. В целом, загрязнение воды
веществами, которые образуют соединения с водой, яв-
ляется одним из существенных источников ошибок при
трактовке и защите наличия структурно-динамической
памяти ’’чистой” воды. Приведём пример из нашей прак-
тики.
2.6. Эффект весенней воды
В воде, на которой готовят посредством разведения
медицинские препараты, всегда есть примеси, хотя бы
потому, что вода растворяет газы. Во время любого
разведения в раствор могут попадать частицы других
веществ, состав которых практически непредсказуем.
Частицы загрязнений, очевидно, должны оказывать
большее влияние на структуру воды, чем исходное
вещество, от которого осталась одна или две молекулы
на весь объём воды.
Наш интерес к свойствам воды был вызван фактом, с
которым мы столкнулись в начале 1980-х годов при
приготовлении искусственного газотранспортного кро-
везаменителя на основе эмульсии перфторуглеродов —
перфторана [61]. Вода, которая использовалась для его
приготовления, забиралась из одной и той же артезиан-
ской скважины г. Пущино, подвергалась очистке от ме-
ханических примесей и дважды перегонялась в дистилля-
торе. Факт состоял в том, что каждую весну в период
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
55
Рис. 7. Весенняя вода при приготовлении препарата перфторан
вызывала повышение температуры кролика.
таяния снега препарат (который готовился по одинако-
вой технологии) при его тестировании на кролике ока-
зывался пирогенным, т.е. вызывал повышение темпера-
туры кролика (рис. 7).
Уже тогда можно было встретить утверждение, что
талая вода имеет какую-то особую биологически значи-
мую структуру, которая отвечает за особые свойства
весенней воды. Мы вынуждены были проверить это
утверждение. Первой гипотезой, подлежащей проверке,
было предположение, что пирогенность связана с сезон-
ной зависимостью самого биологического тест-объекта,
т.е. кролика.
Сезонные изменения активности живых организмов,
уровня их основного обмена, скорости роста и размно-
жения известны давно. Они происходят в течение года
вследствие сезонных изменений среды. Активность всех
живых организмов весной возрастает. Относительно
этого начиная с XIX в. проводились обширные исследо-
вания, которые изложены в обзорах и монографиях (см.,
например, библиографию в сборнике трудов [69]). Хотя
весной кролики и обладают повышенной активностью,
но гипотеза о том, что повышение активности процессов
метаболизма может приводить к пирогенности при
введении перфторана, не подтвердилась. При внутривен-
ном введении полученных в другие времена года пре-
паратов перфторана, хранившихся в замороженном со-
стоянии, повышения температуры не возникало.
Вторая гипотеза, подлежащая проверке, была осно-
вана на предположении, что весенняя вода чем-то от-
личается от воды в другие времена года. Качество
очистки воды тогда проверяли по изменению удельной
электропроводности или pH. Однако, как будет показано
ниже, такой контроль качества воды для биологических
целей оказывается недостаточно чувствительным.
Первое, что требовало проверки, — это наличие в
воде изотопов, содержание которых могло возрастать в
период таяния снега. Известно, что микроорганизмы
адаптируются к тяжёлой воде, но для многоклеточных
организмов добавка тяжёлой воды к обычной воде ста-
новится негативным фактором [70]. Однако примеси
тяжёлой воды в грунтовых водах оказались неболь-
шими и не выходили за пределы нормы. Исследования
показали, что изотопный состав воды практически не
зависел от времени года. Основную массу природной
воды (свыше 99,9 %) составляла вода изотопного типа
1Н216О. Добавочные кислородные изотопы не выходили
за пределы нормы: « 0,01 % 1Н218О, « 0,001 % 1Н217О. В
смеси 1Н216О, 1Н217О и 1Н218О изотопы присутствовали в
такой же пропорции, как и в воздухе. Другие примеси
изотопов также не выходили за пределы нормы.
Затем пришлось проверить воду на содержание ле-
тучих веществ, которые при низких температурах зимой
могли накапливаться в снегу в жидком или твёрдом
состоянии. Здесь выяснилось, что дистилляция — прос-
той, но не самый эффективный способ получения апиро-
генной воды для внутривенных инъекций. Дистилляция
убивает и удаляет бактерии, вирусы и цисты, также уда-
ляет тяжёлые металлы, радионуклиды, органические и
неорганические соединения и тяжёлую взвесь. При дис-
тилляции удаляются и минеральные вещества, которые
входят в категорию неорганических загрязнителей и
могут образовывать гидроксилы и кристаллогидраты.
Однако в современной экологической обстановке в талой
воде повышается содержание растворимых летучих
примесей, которые, смешиваясь с паром воды, не уда-
ляются при дистилляции.
Летучие загрязнители — это органические и неорга-
нические вещества с точкой кипения ниже, чем у воды
(хлор, аммиак, бензол, трихлорэтилен, метаны и др.).
Если в воде присутствуют летучие органические загряз-
нители, то, когда она нагревается в баке для кипячения,
эти вещества испаряются и поднимаются вместе с паром
воды. В более поздних конструкциях дистилляторов для
выпуска летучих газов стали устанавливать специальный
вентиляционный клапан — узкий канал в верхней части
конденсирующего змеевика, который открывается на
небольшое время в начале закипания воды. Тогда такие
клапаны в дистилляторах отсутствовали.
После установки клапана и фильтров на основе
ионитов пирогенные свойства талой воды исчезли. Вы-
яснилось, что вода, как и живые организмы, имеет се-
зонные циклы, но они объясняются сезонными измене-
ниями концентрации загрязняющих её веществ, которые
накапливаются за зиму и попадают в артезианскую воду
при таянии снега. Таким образом, какие-то особые свой-
ства талой воды, кроме повышенного содержания при-
месей, нами обнаружены не были.
3. Память при механическом разрезании воды
3.1. Время жизни надписи на воде
На запотевшем стекле можно сделать надпись. После
того как стекло высохнет, надпись становится невиди-
мой. Но если надпись была сделана пальцем, то, когда
стекло вновь запотеет, надпись проступит. На пальце
всегда имеется жир, а жир — гидрофобное соединение,
отталкивающее воду. Вместе с тем, вопреки саркастиче-
ской поговорке ”вилами на воде писано", и на воде можно
писать. Как долго будет существовать эта надпись? Это
зависит от толщины слоя воды и химического состава
поверхности, на которой она сконденсировалась.
При очень тонких слоях воды происходит её физиче-
ская адсорбция на поверхности подложки, например на
стекле. При этом вода распределяется по всей её поверх-
ности на разделе фаз ’’твёрдая поверхность + жидкая
вода” и удерживается силами электростатического сце-
пления и силами Ван-дер-Ваальса [71]. Физическая ад-
сорбция на гидрофобных поверхностях — слабая и по-
этому обратимая, а её теплота отрыва невелика (не-
сколько единиц кДж моль-1). На гидрофильных поверх-
ностях физическая адсорбция может быть существенной
и трудно обратимой. Теплота отрыва молекул воды на
гидрофильных поверхностях составляет несколько де-
сятков кДж моль-1.
56
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
Рис. 8. (а) Кадры фильма затягивания разрыва воды в круглой чашке
Петри диаметром 10 см с глубиной слоя воды h\ =0,5 мм при
комнатной температуре То =25 °C и атмосферном давлении. Фи-
льм снят ИК-матричной камерой в диапазоне длин волн 3-5 мкм.
Время полного исчезновения надписи « 56 с. (б) Изменение темпе-
ратуры разреза и фона во времени: приращение температуры
AT = Т — То внутри разреза (кривая 7) и вблизи него (кривая 2).
Характеристическое время ’’жизни” надписи в тонком
слое воды может равняться нескольким десяткам секунд.
При увеличении толщины слоя могут образовываться
вихри. Эти процессы основаны на гидродинамическом
переносе масс воды. Само же заполнение разреза воды
при толстом слое, обусловленное направленным пере-
носом массы под действием давления, происходит
быстро — за несколько долей секунды. Поскольку нас
интересует ’’молекулярная структурно-динамическая па-
мять воды”, мы рассмотрим полное время релаксации,
включая медленный и быстрый процессы. На рисунке 8а
показаны кадры фильма изменения во времени яркости
теплового изображения надписи на воде в чашке Петри
из стекла, а на рис. 86 приведён график этого изменения
во времени. Из рисунка 86 видно, что кривая 1 не явля-
ется в полном смысле экспонентой, тем не менее на
начальном участке её можно аппроксимировать экспо-
нентой. Для изменения температуры Т во времени мож-
но записать
времени ’’жизни” то:
то=— , (37)
Z
где I — ширина разреза (равная толщине ’’ножа”), L —
длина разреза. При температуре Т = 25 °C теплопро-
водность воды / = 143 х 10-9 м2 с-1. Ширина и длина
’’ножа” в эксперименте составляли соответственно
I = 2,7 х 10“5 м, L = 10 см = 10"1 м. Подставляя приве-
дённые значения параметров в выражение (37), получим
то = 18,6 с. Время ’’жизни” надписи на воде т = Зто, т.е.
55,8 с, что совпадает с экспериментально полученным
временем.
Все эти результаты соответствуют тонкому слою, т.е.
глубине воды в чашке Петри ^0,5 мм.
3.2. Динамика поведения вихря в разрезе воды
при увеличении толщины её слоя
На рисунке 9а показана экспериментально полученная
динамика поведения надписи на воде в чашке Петри при
большей толщине слоя воды: h « 2 мм.
Феноменологическая оценка времени ’’жизни” над-
писи в этом случае не отличается от таковой в предыду-
щем случае. Её можно провести, используя график на
рис. 96 при следующих параметрах: dz/dT = 2,5/0,13 =
= 19,23, Т = 25 °C, То = 25,6 °C. Время ’’жизни” надписи
на воде составит Зт « 31 с.
Вопрос: почему в этом случае разрез воды имеет
вихреобразный характер? Причина этого явления кроет-
ся во взаимодействии воды и ’’ножа”, которым произво-
дился разрез воды при написании буквы V. Рисунок 10
иллюстрирует этот процесс. Вода прилипает к ножу,
который имеет гидрофильную поверхность, а затем при
его движении стекает, возвращаясь в чашку с водой. При
этом возможны два варианта вхождения ножа в воду,
показанные на рис. 10.
Подобное явление рассмотрели Кутт, а затем Ни-
кольский [73-75] при обтекании бесконечного клина и
Беляев [72]. При перпендикулярном вхождении ножа 1 в
ДТ = То ехр
где То — температура воды (в нашем случае 25 °C) до
момента разрезания, t — текущее время, т — характери-
стическое время исчезновения надписи. Из графика 1
(рис. 86) получим
2£ = Т = 35
dr 0,2
(35)
Рис. 9. (а) Кадры фильма (см. фильм 1) динамики поведения разрыва
воды в круглой чашке Петри диаметром 10 см при глубине слоя воды
/?1 2 мм, температуре в комнате То = 25 °C и атмосферном давле-
нии. Фильм снят ИК-матричной камерой в диапазоне длин волн 3 -
5 мкм. Время полного исчезновения надписи « 31 с. (б) Изменение
температуры на разрезе и вокруг него во времени: приращение
температуры АТ = Т — То внутри разреза (кривая 7) и вблизи него
(кривая 2).
До разреза То = 25,6 °C. Время ’’жизни” надписи на воде
т = 56 с.
Однако результаты такого расчёта не отвечают на
вопрос: как связано время ’’жизни” надписи с парамет-
рами разреза? Ответить на этот вопрос можно, если
использовать для расчёта коэффициент температуропро-
водности воды % [м2 с-1]. В этом случае получим сле-
дующую простую зависимость для характеристического
t
т
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
57
Рис. 10. Разрезание воды клиновидным ножом: (а) перпендикулярное
вхождение, (б) вхождение под углом [72].
слои воды 2, примыкающие к его граням, в результате
стекания воды возникают две спиральные вихревые
симметричные структуры 3 (рис. 10а). Эти вихри затем
диссипируют. Когда нож входит под углом, появляется
асимметрия. Параметры асимметрии (угол а между вер-
тикалью и биссектрисой клина и угол /) между биссектри-
сой и направлением скорости входа) могут быть доста-
точно велики. При этом схема стекания воды с ножа
изменяется. В данном случае с вершины ножа в точке 0
сходит свободный слой воды (рис. 106), сворачиваю-
щийся в спираль 3 вследствие ударного взаимодействия
с остриём клина в момент его касания воды, что при-
водит к закрутке волны и образованию вихря. Диссипа-
ция такого вихря продолжается в процессе релаксации,
что видно из рис. 9а.
Скорость рассеяния температуры по объёму воды
возрастает вследствие дополнительного перемешивания
с помощью возникшего вихря, поэтому характеристиче-
ское время релаксации уменьшается.
3.3. Влияние конвекции
на характеристическое время восстановления
равновесия при увеличении толщины слоя воды
Начиная с работ Бенара [76], Рэлея [77, 78] и Марангони
[79], вопросам конвекции в жидкостях уделялось боль-
шое внимание. Конвекция воды является яркой иллю-
страцией неустойчивости нелинейных процессов в воде и
примером перехода при критических параметрах от
хаотического движения молекул к их упорядоченному
кооперативному движению [53, 60].
Любопытно отметить, что в ряде случаев наблюда-
ется парадоксальный, на первый взгляд, процесс (иногда
именуемый антиконвекцией) — создаётся иллюзия нару-
шения закона Архимеда. Этот парадокс и его объяснение
приведены в работе Веландера [80]. Суть данного явле-
ния состоит в том, что в воздухе на границе раздела фаз
жидкость-воздух при определённых условиях вслед-
ствие испарения жидкости может возникнуть вертикаль-
ный градиент давления, такой, что составляющая силы
давления будет направлена от пара, образующегося в
воздухе, к жидкости. Это давление создаст дополнитель-
ный гидродинамический поток, направленный внутрь
жидкости. Поток будет препятствовать перемещению
расширившейся жидкости в верхние слои, и конвекция
исчезнет [81-83]. Поверхностный нагрев бассейна также
ликвидирует конвекцию, в чём легко убедиться, пустив
тонкий слой паров спирта по поверхности воды. Реакция
растворения спирта в воде идёт с выделением тепла.
Образовавшийся горячий пар из смеси молекул спирта
и воды мгновенно останавливает конвекцию воды.
Конвекция воды легко наблюдаема [53, 60]. Необходи-
мым (но не достаточным) условием возникновения кон-
Рис. 11. Структуры, образующиеся в наклонённом сосуде диаметром
17 см. (а) Изменение толщины h слоя воды, /?сг — критическая
толщина слоя, при достижении которой прекращается формирова-
ние конвективных структур. В левом верхнем углу рисунка глубина
слоя воды 10 мм, 0,2 мм /?С1- 2 мм (в зависимости от гидрофоб-
ности или гидрофильности подложки дна). Смачивание водой гид-
рофильных (б) и гидрофобных (в) поверхностей сосуда, $2 > #1 • Вода
смачивает чистую поверхность стекла, но плохо смачивает большин-
ство пластмасс. Поверхность стекла является гидрофильной, а по-
верхность пластмассы — гидрофобной.
Рис. 12. Кадры фильма (см. фильм 2), отображающего поведение
разрыва воды в круглой чашке Петри диаметром 10 см при глубине
слоя воды h > 2 мм, комнатной температуре (25 °C) и атмосферном
давлении. Фильм снят ИК-матричной камерой в диапазоне длин
волн 3-5 мкм.
векции является наличие определённой толщины слоя
воды, что можно подтвердить с помощью простого экс-
перимента (рис. 11а) [60]. При этом критическая толщина
слоя будет зависеть от смачиваемости поверхностей
резервуара, в котором находится вода (рис. 116, в).
Если на поверхности слоя воды при её глубине,
большей, чем 2 мм, сделать разрез, то он затягивается
примерно за 15 с (рис. 12). Механизм столь короткой
молекулярной структурно-динамической памяти очеви-
ден — это перемешивание воды вследствие конвекции.
Итак, ’’структурно-динамическая память воды” при
механическом воздействии на неё существует, но при
тонких слоях и сохраняется несколько десятков секунд.
При этом, как отмечалось, интервалы времени релаксации
зависят от размеров системы (см. соотношение (7)).
След от моторной лодки, разрезающей воду во время
штиля, будет жить дольше — несколько минут (рис. 1 За).
Следы от водяных клопов (водомерок Gerris remigis или
Gerris paludum), бегающих по поверхности лужи, исче-
зают через несколько секунд (рис. 136).
Для водных живых организмов, живущих на поверх-
ности воды, столь быстрое затухание возмущений воды
является благом. Например, водомерки могут переда-
вать информацию, деформируя поверхность воды нога-
58
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
Рис. 13. Следы (а) от моторной лодки на поверхности моря, (б) от
водяного клопа (водомерки) на поверхности воды.
ми. Фигурально выражаясь, водомерки ’’разговаривают”
ногами, а ’’слышат” всем телом [84].
Скорость распространения возмущений (звука) опре-
деляется упругостью и плотностью среды. В газах
скорость звука меньше, чем в воде, а в воде меньше, чем
в твёрдых телах. Вода в 800 раз плотнее воздуха. В чистой
воде скорость звука составляет около 1500 м с-1. При-
кладное значение имеет также скорость звука в солёной
воде океана. Скорость звука увеличивается в более со-
лёной и холодной воде [85].
4. Молекулярные структуры воды
и их связь с её макроструктурами
4.1. О воде как о смеси разных типов
молекулярных структур
В конце 1960-х годов Б.В. Дерягин с сотрудниками
обнаружили, что возможны два состояния воды: обыч-
ное и плотное. Другими словами, любая вода — это
смесь по крайней мере двух вариантов молекулярных
структур воды. Второй вариант воды Дерягин считал
полимерной водой и назвал её вода II. Эти результаты
были доложены [86] на сессии Отделения общей физики и
астрономии Академии наук в 1968 и 1969 гг.. Свойства
воды II отличались от свойств обычной воды. Вода II
была более вязкой, с плотностью 1,4 г см-3 и показате-
лем преломления 1,48, нелетучей при комнатной темпе-
ратуре, с линейным ходом расширения в температурном
интервале от —40 до —60 °C. При температуре —40 °C
вода II переходила в стекловидное состояние [87]. Тогда
же было высказано предположение, что эта ’’аномаль-
ная” вода состоит из гексамерных молекул (H2O)W.
Однако к экспериментам и утверждениям Б.В. Деря-
гина отношение было скептическое. В частности, в УФН
была опубликована статья В.Л. Гинзбурга ’’Какие проб-
лемы физики и астрофизики представляются сейчас
особенно важными и интересными?” [88]. В разделе 3
этой статьи Гинзбург писал: «...речь идёт о полимерных
молекулах типа (H2O)W. Эти результаты были, казалось
бы, полностью подтверждены [89-92], была также
получена аномальная вода в капиллярах, не содержащих
кремния [93]. Но, с другой стороны, в последнее время
появились работы [94-98], в которых "аномальная вода"
на основании ряда экспериментальных данных рассматри-
вается как смесь обычной воды и ряда примесей {гидро-
золей, HNO3, Na, Cl и др.).
Таким образом, вопрос нужно считать открытым,
хотя, на мой взгляд, работы [94-98] оставляют не так
уж много надежды на существование чистой полимерной
{сверхплотной) воды. Но, независимо от окончательного
ответа, уже проведённые исследования ясно свидетель-
ствуют о том, сколь трудно решить даже такой вопрос,
как возможность появления новой формы одного из самых
распространённых веществ’, теоретические расчёты [99,
100] здесь также ненадёжны. Этот пример поучителен
во многих отношениях, в частности, как напоминание о
необходимости любое открытие считать окончательно
установленным лишь после многократной и всесторонней
проверки».
Б.В. Дерягин направил письмо в редакцию УФН.
Письмо было опубликовано [101]. Он настаивал на
своём открытии и существовании сверхплотной поли-
мерной воды. Завязалась полемика [102]. К этому
времени появился ряд работ в зарубежных журналах, в
которых также высказывалось сомнение относительно
существования сверхплотной полимерной воды [103,
104]. В частности, статья [104] заканчивалась так: "Рас-
сматривая наши собственные результаты в свете иссле-
дований других авторов, мы считаем (feel strongly), что
аномальная вода не является полимерной водой".
Аргумент Б.В. Дерягина состоял в том, что обычная
вода сосуществует с водой II, молекулярный вес которой
составляет М = 150 ±30, и это сосуществование явля-
ется устойчивым. Отмечалось, что при высоких темпера-
турах вода II деполимеризуется, превращаясь в обычную
воду. Позднее молекулярное описание воды было про-
ведено в терминах изменения водородных связей в месте
их присоединения к кислороду (Н-связей у К-края), что
позволило сделать теоретические оценки возможных
механизмов появления аномальной воды. Довольно
подробно эволюция взглядов на молекулярную струк-
туру воды представлена в обзоре [105].
Основными источниками информации о молекуляр-
ной структуре воды служили данные нейтронной и
рентгеновской дифракции и спектроскопии комбина-
ционного рассеяния света (рамановской). Затем благо-
даря появлению мощных синхротронных рентгеновских
источников представилась возможность анализировать
детали рефлексов дифракционного спектра. Были обна-
ружены в ближней зоне пики, которые характеризовали
поведение водородных связей вблизи атома кислорода
(EXAFS-спектроскопия (EXAFS — Extended X-ray
Absorption Structure)) [106]. Однако дальний порядок в
воде не был обнаружен. Другими словами, в воде отсут-
ствовала матрица связей, которая распространялась бы
на весь объём воды.
В результате удалось приблизиться к пониманию
механизма, создающего плотную воду, и тем самым
согласиться с наличием в воде смеси из молекулярных
неоднородностей разных типов, с большей и меньшей
плотностью, примерно одинакового размера (1-2 нм).
Неоднородности с низкой плотностью были более
устойчивыми, следовательно, имели низкие энергию и
энтропию, высокоплотные неоднородности обладали
более высокими энергией и энтропией.
В одной из недавних статей на эту тему, [107], отме-
чено, что с помощью рентгеновской дифракции с разре-
шением 12 А выявлен в парах воды пик корреляцион-
ной функции, который свидетельствовал о наличии в
воде небольшой примеси тетраэдрических образований
из её молекул. Эти эксперименты были повторены при
трёх разных температурах воды (7, 25 и 66 °C) при
нормальном давлении. Экспериментальные результаты
и результаты компьютерного моделирования молеку-
лярной динамики поддержали предположение о том,
что структура жидкой воды даже при высоких темпера-
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
59
турах может быть описана в терминах набора состояний
воды и фазового перехода одной формы в другую. Од-
нако этим работам предшествовало около сотни раз-
личных исследований молекулярной структуры воды на-
чиная с 1930-х годов (см. библиографию к работе [107]).
При температуре « 25 °C отношение высокоплотных
кластеров к низкоплотным составляло примерно 2,5:1,0
[108-110]. Как отмечалось, с точки зрения термодина-
мики, чем больше энтропия, тем меньше информацион-
ная компонента системы.
Поскольку показатель преломления структур плот-
ной воды отличается от показателя преломления моле-
кулярной структуры обычной воды, состоящей из несвя-
занных отдельных молекул (для льда этот показатель
П[ = 1,309, а для воды гщ = 1,33), перестройки в смеси
’’плотная вода + обычная молекулярная вода” должны
сопровождаться локальными флуктуациями показателя
преломления и связанных с ним параметров. По данным
Б.В. Дерягина, свойства воды II отличаются от свойств
как обычной воды, так и льда. Вода II — более вязкая
субстанция с показателем преломления 1,48. Другими
словами, разброс значений показателя преломления на-
ходится в интервале 1,309-1,48. При облучении паров
воды Nd:YAG-лазером с импульсным светом неболь-
шой мощности (< 30 мВт см-2) на частоте его второй
гармоники в спонтанном комбинационном рассеянии
были зарегистрированы колебания с пространственной
частотой до 50 см-1 [111].
Кратко рассмотрим молекулярный механизм обра-
зования плотной воды. Межмолекулярная водородная
связь — слабая. Величина средней энергии водородных
Н —О-связей между молекулами Н2О составляет всего
0,1067 ± 0,0011 эВ («5 ккал моль-1), что немногим
больше характерной энергии теплового движения моле-
кул воды при температуре 300 К. Изучение дифракции
рентгеновских лучей и нейтронов в воде дало информа-
цию о структуре воды, но следует заметить, что при этом
в воду вносится дополнительная энергия, которая раз-
рывает водородные связи. Вода в результате исследуется
в другом состоянии. Водородные связи могут легко
разрываться из-за тепловых флуктуаций. Поэтому в
среднем водородная связь должна жить недолго, всего
3,2 х 10~12 с.
Если связь нарушается, то её разрыв должен приво-
дить к распаду полимерной молекулярной структуры
воды. В этом процессе протон почти оголяется и за счёт
действия сил электростатического притяжения создают-
ся условия для сближения атомов 0 — 0 или О — Н. Хотя в
значительной мере это взаимодействие компенсируется
взаимным отталкиванием электронов и ядер молекул. В
результате действия электростатических сил и наличия
донорно-акцепторных взаимодействий энергия связей в
воде достигает величины 5-10 ккал моль-1. При этом у
протона непрерывно меняются партнёры.
Однако все периоды релаксационных процессов в
воде не выходят за пределы секундного диапазона. Если
и возникали в воде слабозатухающие колебания с перио-
дом около 30 с, то они свидетельствовали не о запомина-
нии воздействия на воду, а об исходном составе смеси
одномолекулярной и кластеризованной воды, который
зависел от температуры.
Итак, вода — это динамическая система, состоящая
как из отдельных молекул, так и из их кластеров, т.е.
(H2O)W, находящихся в состоянии динамического равно-
Таблица. Вязкость воды в сравнении с вязкостью других жидкостей
при температуре 25 °C
Жидкость Вязкость, мПа с
Вода 0,894
Бензол 0,604
Метиловый спирт 0,544
Ацетон 0,306
Жидкий азот (при 77 К) 0,158
Этиловый спирт 1,074
Нитробензол 1,863
Серная кислота 24,2
Этиленгликоль 16,1
Оливковое масло 81
Касторовое масло 985
Глицерин (при 20 °C) 1490
весия. На основе этих исследований можно было бы
утверждать, что вода имеет в своём составе по крайней
мере два типа структур, но при комнатных температу-
рах они не могут создать единую полимерную сеть,
которая распространялась бы на весь объём воды. Если
бы в воде были динамически устойчивые связи, распро-
страняющиеся на весь её объём, то вода не могла бы течь,
поскольку её вязкость была бы очень высокой. Однако
вязкость жидкой воды по сравнению с вязкостью других
жидкостей невысока, а сама вода — очень текучая жид-
кость. Для примера в таблице приведена вязкость воды в
сравнении с вязкостями некоторых других известных
жидкостей.
Вычисленные разными методами молекулярной ди-
намики времена жизни водородной связи могут разли-
чаться, но при комнатной температуре и нормальном
давлении — не более чем на 6,8 пс. Что касается всего
набора водородных связей в объёме воды, то основной
вывод, который можно сделать на основе молекулярной
динамики воды [112], состоит в следующем: долгоживу-
щие водородные связи в воде распределены в пространстве
практически случайно. Они обновляются настолько быст-
ро, что попытки выявить их влияние на долгоживущую
память воды, опираясь на какие-либо закономерности их
взаимного пространственного расположения, изначально
обречены на неудачу. Водородные связи при таких корот-
ких временах жизни практически не могут оказать су-
щественного влияния на динамику поведения жидкой воды
и увеличение времени релаксации при воздействии на неё.
К таким же выводам можно прийти на основе термо-
динамических исследований макроструктуры воды (см.
раздел 4.3). При исследовании кинетики воды можно
выделить три подхода: с точки зрения структурного,
термодинамического и динамического переходов воды
от хаоса к порядку и обратно. Рассмотрим их последова-
тельно.
4.2. Структурный подход — от льда к жидкой воде
Упаковка молекул воды при её замерзании при атмо-
сферном давлении хорошо известна ещё с 1930-х годов, со
времени опубликования классической работы Дж. Бер-
нала и Р. Фаулера ’’Структура воды и ионных растворов”
[113]. Берналом и Фаулером рентгеновским методом
была определена трёхмерная кристаллическая струк-
тура льда с симметрией шестигранников (гексагональ-
ная сингония с углом 120°). Плотность льда при этом
оказалась меньше плотности жидкой воды, что объяс-
няло, почему лёд плавает на поверхности воды. При нуле
60
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
градусов Цельсия плотность обычного льда 916,7 кг м-3,
а плотность воды — 999,8 кг м-3. Только вода и
некоторые сплавы (например, типографский гарт) уплот-
няются при переходе в жидкое состояние.
Лёд, образовавшийся при атмосферном давлении и
температуре, меньшей нуля по Цельсию, имеет запас
тепла, и его атомы колеблются, не покидая (точнее,
почти не покидая) своих мест в кристаллической решёт-
ке. Напомним, что водородная связь относится к числу
связей с энергией 5 - 10 ккал моль-1 (энергия ковалентной
связи О — Н на порядок больше — 109 ккал моль-1).
Колебания атомов будут происходить даже вблизи
абсолютного нуля. Каждый атом связан со своими
соседями, так что его движение зависит от движения
окружающих атомов. Для выражения этой зависимо-
сти, следуя П. Дебаю [114-116], можно рассматривать
тепловое движение атома как результат интерференции
большого количества звуковых волн, имеющих разно-
образные частоты вследствие колебаний атомов в ре-
шётке.
Колебания распространяются в кристалле льда по
всевозможным направлениям. Если говорить об одно-
атомных жидкостях, то гелий сохраняет тепло при аб-
солютном нуле лучше, чем лёд. Гелий при атмосферном
давлении не замерзает, и только при высоких давлениях
можно получить его в твёрдом состоянии. Лёд тоже
реагирует на повышение давления. Для того чтобы
кристалл расплавился, необходимо, чтобы амплитуда
колебаний была сравнимой с расстоянием между ато-
мами. При этом для того, чтобы имелось взаимодей-
ствие соседних молекул, температура Дебая должна
быть достаточно велика [115, 116].
Напомним, что температура Дебая — температура,
при которой в молекулах льда возбуждаются все моды
колебаний, — введённая П. Дебаем в теории теплоёмко-
сти, определяется формулой:
= ~г~ vd , (38)
/св
где h — постоянная Планка, vd — максимальная частота
колебаний атомов в кристаллической решётке льда,
АДВ = 6,626 х 10-34/1,38 х 10-23 =4,8 х 10-11 с К.
Дальнейшее увеличение температуры не вызывает
появления новых мод, но приводит к увеличению ампли-
туд уже существующих колебаний, т.е. средняя энергия
колебаний с увеличением температуры возрастает. Тем-
пература Дебая характеризует свойства кристалла опре-
делённого вещества и является для него физической
константой. С помощью температуры Дебая можно оха-
рактеризовать свойства кристалла (теплоёмкость, элект-
ропроводность, теплопроводность, уширение линий рент-
геновских спектров, упругие свойства и т.п.).
При температурах ниже температуры Дебая теплоём-
кость кристаллической решётки определяется в основ-
ном акустическими колебаниями и является пропорцио-
нальной кубу температуры. При температурах намного
выше температуры Дебая теплоёмкость постоянна и
равна 3Nrk# (закон Дюлонга-Пти), где N — число
элементарных ячеек в кристалле, г — расстояние между
атомами в ячейках кристалла. Физический смысл темпе-
ратуры Дебая — это установление некоторой условной
границы температуры, при температурах ниже этой
границы начинают преобладать квантовые эффекты.
Для льда, образовавшегося при атмосферном давлении,
температура Дебая Д 192 К (или —81 °C). В условиях
нашей планеты такая низкая температура — большая
редкость3. Практически в большинстве случаев она бу-
дет выше.
Для кристаллической структуры льда важна величина
не только температуры, но и давления при образовании
льда. Молекулярная решётка кристалла льда в толще
ледников отличается от его решётки на поверхности реки
[117]. Аморфным вариантам льда и переохлаждённой
воде посвящён удачный обзор [118]. Недавно, в 2009 г.,
была открыта новая кристаллическая структура льда XV
[119]. Вследствие специфики условий роста и изменчиво-
сти воздействия внешней среды молекулярная решётка
кристалла льда имеет повреждения и дислокации. Для
льда только в среднем сохраняется главное свойство —
положение атомов в кристаллической решётке.
Обычный природный лёд чище, чем вода, из которой
он сформировался. При кристаллизации воды в решётку
льда в первую очередь встраиваются молекулы самой
воды, а не примесей. Поэтому воду можно очищать не
только дистилляцией, но и замораживанием. Однако
энергетически по сравнению с дистилляцией это невы-
годно.
Чтобы растопить 1 кг льда, нужно столько же тепла,
сколько требуется, чтобы нагреть 1 л воды от 0 до 80 °C.
Замерзание воды не полностью очищает её от твёрдых
механических примесей, пузырьков газа, молекул соли и
бактерий. Удельная теплота плавления льда 330 кДж кг-1
(для сравнения, удельная теплота плавления железа
270 кДж кг-1). Полного опреснения солёной воды с по-
мощью многократного замораживания и разморажива-
ния добиться трудно.
Жидкую воду можно получить двумя способами:
плавя лёд или сжижая пар. При этом естественно задать
вопрос: отличается ли молекулярная структура талой
воды от молекулярной структуры дождевой воды? Ин-
туитивно ясно, что может отличаться, например, по
содержанию растворённых газов и по количеству ’’хо-
лодных” (плотных) и ’’тёплых” (рыхлых) молекулярных
структур.
Воздух в основном состоит из молекул четырёх газов
(азота, кислорода, аргона и углекислого газа) и паров
воды. Если над водой находится смесь газов, то раство-
римость каждого из них подчиняется закону Генри-
Дальтона, т.е. является пропорциональной парциаль-
ному давлению каждого из газов, находящихся в смеси.
Поскольку в воздухе содержится 21 % кислорода и 78 %
азота, равновесная концентрация их растворимости в
дистиллированной воде при температуре 20 °C и атмо-
сферном давлении составит 44,3 х 0,21 = 9,3 мт О2 на 1 л
и 19,5 х 0,78 = 15,21 мт N2 на 1 л.
Следовательно, в воде при её равновесии с внешней
средой при комнатной температуре и атмосферном
давлении содержится порядка трёх объёмных процентов
основных газов воздуха. Однако при переходе от пара к
воде на начальном этапе будет захватываться больше
молекул газов из воздуха, чем их находится в тающем
льде. Когда мы тонкой струёй наливаем воду в сосуд, её
3 Только в Восточной Антарктиде на станции ’’Восток” было зареги-
стрировано понижение температуры до —(88,3 —89,2) °C. Хотя, по
расчётам, в ’’поясе недоступности” (координаты 78° южной широты
и 96° восточной долготы) минимальная температура могла бы при
этом опуститься ниже —90 °C.
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
61
насыщение газами возрастает за счёт большой по
отношению к объёму поверхности воды в струе [60].
Характеристическое время т достижения равновесия при
растворении газов в воде является достаточно длитель-
ным. Поскольку процесс растворения газов — процесс
диффузионный, в соответствии с формулой Эйнштейна -
Смолуховского [14, 120] для диффузионных процессов
характеристическое время определяется как т ~ (V/S)2,
т.е. является обратно пропорциональным квадрату
поверхности У, через которую происходит растворение
газа, и прямо пропорциональным квадрату объёма К,
который должен быть заполнен газом. Если сосуд с
водой имеет форму цилиндра с площадью основания А
и высотой Н, то его объём V = АН, а открытая поверх-
ность равна А, следовательно,
{АН/А}2 Н2
aD aD
(39)
где D — коэффициент диффузии газа в жидкости, а —
коэффициент запаса (если распределение распростране-
ния растворяемых молекул газа в воде имеет форму
гауссовой кривой, то а = 3 —4). Примем, что темпера-
тура жидкой воды и, следовательно, её вязкость практи-
чески не изменяются, тогда скорость переноса массы газа
за счёт диффузии будет тем больше, чем больше скорость
кинетического движения молекул:
6ЯЦГ
(40)
где ц — динамическая вязкость воды, г — радиус
молекулы. Движущей силой являются градиенты тем-
пературы Т или давления р. Средний радиус моле-
кулы кислорода при предположении аппроксимации
эквивалентным шаром го2 = 1,5 х 10“10 м, к# = 1,38 х
х10-23 Дж К-1; при температуре 20°С (Т = 293 К) и
атмосферном давлении ц = 10-3 Па с. Подставив эти
значения в (40), получим D2 = 1,46 х 1О-10 м2 с-1. В
результате для чашки Петри высотой Н = 0,01 м из (39)
найдём характеристическое время 1,7 х 105 с (т.е.
порядка 2 сут). Если система (вода + растворённый газ)
под действием изменения температуры или давления
отклонилась от равновесного состояния хотя бы на
10%, то время возвращения к равновесию составит
около 5 ч. Эти оценки справедливы для неподвижной, не
перемешиваемой, воды. Однако в толстом слое воды (см.
раздел 3.3) благодаря конвекции всегда есть перемешива-
ние, поэтому эти времена, в зависимости от интенсивно-
сти конвекции, меньше почти на порядок.
При увеличении температуры выше нуля колебания
атомов в кристалле льда возрастают и молекулы поки-
дают свои места. Наступает этап плавления. Результат
дифракции рентгеновских лучей показал (как отмечалось
в разделе 4.1), что дальнего порядка в расположении
молекул воды нет [121]. Дифракционная кривая для
воды затухает гораздо быстрее, чем для большинства
других жидкостей. Например, распределение расстояний
между атомами кислорода при температуре около 20 °C
даёт три разных по интенсивности максимума, на длинах
2,8, 4,5 и 6,7 А. Первый максимум соответствует значе-
нию, примерно равному длине водородной связи. Вто-
рой, меньший по амплитуде максимум, почти соответ-
ствует длине ребра в гексагональной упаковке ’’заморо-
женных” молекул льда. Третий, совсем слабый, макси-
мум соответствует расстоянию до более далёких сосед-
них молекул воды. Другие максимумы отсутствуют.
Однако третий максимум настолько слаб, что сделать
достоверный вывод о наличии дальнего порядка в воде
невозможно. Таким образом, мы приходим к тому же
выводу, к которому мы пришли выше, рассматривая
молекулярные взаимодействия воды, — полимерной
матрицы воды, охватывающей всю воду, не существует
или, по крайней мере, её наличия не обнаружено.
4.3. Термодинамический подход
к описанию воды на молекулярном уровне
Эксперименты по квазиупругому рассеянию нейтронов
или сверхбыстрой ИК-спектроскопии, а также изучение
диффузии воды с помощью ядерного магнитного резо-
нанса (ЯМР) или меченых атомов позволили измерить
коэффициент самодиффузии в воде при различных давле-
ниях и температурах. Чтобы судить о коэффициенте
самодиффузии по квазиупругому рассеянию нейтронов,
необходимо сделать предположение о характере движе-
ния молекул.
При этом ещё в первой половине XX в. научное
сообщество разделилось на два лагеря [122]. Одни пы-
тались к теории жидкости применить законы газового
состояния, другие — физику твёрдого тела. Исторически
первая группа основывалась на открытии Ван-дер-Ва-
альсом дальнодействующих сил притяжения [123-128],
вторая группа основывалась на теории плавления твёр-
дого тела, в частности кристаллов. Для второго подхода
решающим аргументом являлись работы Я.И. Френкеля
[129-132].
Благодаря успехам теории Ван-дер-Ваальса удава-
лось объяснить некоторые свойства воды с помощью
дальнодействующих сил, исходя из непрерывности пере-
хода жидкости в пар. Однако Я.И. Френкель писал [130],
что это привело к неоправданному смещению гипотез в
описании природы жидкого состояния в сторону пере-
хода от пара в жидкое состояние. Априори ясно, что на
микроскопическом уровне подход, использующий в
качестве нулевого приближения твёрдое тело с плот-
ностью, лишь на 10-20% отличающейся от плотности
жидкого состояния, может быть гораздо успешнее попы-
ток, принимающих в качестве нулевого приближения
пар, плотность которого почти в тысячу раз меньше,
чем у жидкости. На те же проблемы ранее указал
Г. Уленбек в разделе ’’Проблема фазовых переходов”
обзора [128, с. 288]: "Одно из наиболее замечательных
свойств материи заключается в том, что все вещества
могут находиться в трёх так называемых фазах’,
твёрдой, жидкой и газообразной... Далее, известно уни-
версальное свойство, заключающееся в существовании
критической точки перехода газ - жидкость’, выше неко-
торой температуры невозможно добиться сжижения
газа. Подобной критической точки нет в случае перехода
твёрдое тело - жидкость’, соответственно нет и крити-
ческой температуры плавления. Таким образом, для всех
веществ изотермы имеют примерно одинаковый вид, как
схематически представлено на рис. 9". (Рисунку 9 из [128]
соответствует рис. 14в настоящего обзора.)
Рассмотрим изотерму Ti на рис. 14в. Температура Ti
меньше критической температуры Тс. Точка С (рис. 146)
принадлежит изотерме критической температуры
(рис. 14в). Изменение объёма, как правило, приводит к
изменению давления. Однако это происходит не всегда. В
62
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
Рис. 14. (а) Схематическое изображение фазовых состояний воды: лёд, жидкость и пар. Жидкая вода состоит из квазичастиц льда, квазичастиц
пара и молекул воды, (б) Диаграмма фазовых состояний воды с тройной точкой в координатах температура Т- давление р. Три состояния
берут своё начало в тройной точке, указанной на рис. а и б, при этом равновесие по пару и жидкости простирается в бесконечность в
направлении точки С. (в) Диаграмма фазовых состояний воды с изотермой критической температуры Тс в координатах объём Г-давление р.
т Ее Vd Щ Еа
смеси жидкость + пар имеет место ситуация, при кото-
рой увеличение объёмов на некотором интервале не
приводит к изменению давления. На графике это гори-
зонтальный участок (плато) изотермы, который нахо-
дится в области 17ь < V < Еа. Этой области соответ-
ствует смесь воды и насыщенного квазипара. На участке
Еь > V мы имеем жидкую фазу. Если мы повышаем
давление, то попадаем на меньший по размерам гори-
зонтальный участок кривой (Ее < V < Еа), соответ-
ствующий смеси частичек квазильда и молекул воды, и,
наконец, при Е < Ее получаем твёрдое тело, т.е. лёд.
Плато при Еь < Е < Еа, соответствующее конденсации,
при определённой температуре может исчезнуть, и
кривые, соединяющие конечные точки горизонтальных
участков, сойдутся к критической точке (см. штриховую
кривую на рис. 14в). Изотерма Т\ станет плавной кривой,
по виду похожей на экспоненту. Таким образом, про-
блема заключается в том, чтобы, опираясь только на
особенности межмолекулярных сил воды, включая силы
Ван-дер-Ваальса, объяснить взаимодействие её молекул.
Термодинамика ничего по этому поводу сказать не
может. Она может лишь дать условия равновесия фаз.
Условие термодинамического равновесия исходит из
равенства химических потенциалов, и для двух фаз оно
имеет вид [128]
Д1(р,Т)=д2(р,Т), (41)
где — химические потенциалы. Соотношение (41)
даёт связь между температурой и давлением для
системы, находящейся в равновесии. Однако если в
системе непрерывно происходят переходные процессы
(т.е. вещество находится в неравновесном состоянии),
то использование для описания системы математиче-
ского аппарата термодинамики непродуктивно. Свой-
ство неравновесности является не термодинамическим,
а кинетическим свойством. Таким образом, мы можем
утверждать, что наличие тройной точки, характерной
для воды (рис. 14а, б), не описывается в терминах термо-
динамики.
Если не вдаваться в детали вопроса о том, почему
теория воды отставала от теории газов и твёрдых тел, то
можно сказать, что в теории воды не удаётся найти
малый параметр и функцию распределения потенциала
взаимодействия, которая имела бы достаточно универ-
сальный вид. В газовой фазе энергия взаимодействия
между молекулами является слабой и имеются большие
смещения отдельных молекул. Во льду энергия взаимо-
действия между частицами — сильная, а смещения —
небольшие. В жидкой воде велики как энергия взаимодей-
ствия, так и смещение молекул. При этом характер взаи-
модействия между молекулами весьма хаотичен и он не
поддаётся экспериментальной регистрации.
Я.И. Френкель был сторонником второго направле-
ния, т.е. перехода твёрдого вещества в жидкость [131]. Он
полагал, что целый ряд общих важных свойств воды
можно описать, исходя из свойств кристалла с дислока-
циями и изменения поведения таких кристаллов при
повышении температуры. Рассматривая механизмы на-
рушения идеальности кристалла в объёме и на его по-
верхности, Френкель развил теорию возникновения ва-
кансий, или дырок. Фигурально выражаясь, его идея
состояла в том, что ”в кристалле при плавлении проис-
ходит растворение пустоты", проявляющееся в возрас-
тании числа дырок, замещающих атомы, покинувшие
свои места. Френкель показал, что кинетика поведения
кристаллов изменяется при повышении температуры,
увеличивая количество дислокаций (вакансий), что влия-
ет на упругие и пластичные свойства кристалла и диф-
фузию дырок. Эта теория получила называние ’’пры-
жок-ожидание”. Время ’’оседлой” (между прыжками)
жизни молекулы составляло 3,2 пс.
При температурах, близких к температуре кристал-
лизации, жидкость имеет много общего с твёрдым
телом, прежде всего — почти одинаковые теплоёмкость
и объём, а следовательно, близкие силы сцепления между
частицами. Известно, что твёрдые тела имеют некото-
рую, хотя и весьма малую, текучесть, а жидкости об-
ладают малой упругостью на сдвиг и большой теку-
честью. Такой подход к жидкостям представлялся суще-
ственным уже потому, что ещё в 1933 г. была обнаружена
тонкая структура крыла линии Рэлея в маловязких
жидкостях, обусловленная модуляцией упругих сдвиго-
вых волн света, рассеянного вследствие флуктуации
анизотропии жидкости [133]. Соотношение тепловой и
потенциальной энергий определяет критические пере-
ходы от твёрдого кристалла к жидкости. Таким обра-
зом, гипотеза, высказанная Я.И. Френкелем [132] ещё в
1933 г., стала экспериментальным фактом. Численные
компьютерные эксперименты на основе имитационного
моделирования молекулярной динамики подтвердили
предположения Френкеля, благодаря чему его гипотеза
стала предпочтительной [134-136] по сравнению с дру-
гими гипотезами для жидкого состояния.
Как показали дальнейшие исследования, именно вре-
менами релаксации определяется тонкая структура ли-
нии Рэлея при светорассеянии в воде, в которой смещение
компонент Мандельштама - Бриллюэна происходит со
скоростью звука при частоте порядка 1010 Гц. К сожале-
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
63
нию, высокие частоты не могут быть генерированы в
воде прямыми ультразвуковыми методами. Однако бла-
годаря созданию лазеров с затворами на основе ячейки
Керра удалось наблюдать это явление даже в воде.
Причина появления тонких линий связана с модуляцией
световых волн тепловыми флуктуациями среды.
4.4. Поведение молекулярной структуры воды
в терминах переходов от порядка к хаосу
Подход к описанию воды на основе перехода от льда к
жидкости в результате плавления дал новое продвижение
в объяснении молекулярных механизмов перестроек в
воде, но окончательно не похоронил надежду на суще-
ствование в воде долгоживущего молекулярного каркаса.
Чтобы доказать невозможность существования в
воде долгоживущего молекулярного каркаса, снова вер-
нёмся к идеям молекулярной динамики и термодина-
мики, но рассмотрим их в аспекте быстро развившейся в
конце XX в. теории синергетики с переходами от хаоса к
порядку (в приложении к воде — от турбулентного
движения к ламинарному} [137- 140].
Теорию турбулентности можно строить, используя
разные языки описания [138]. Три направления этой
теории (статистическое, структурное и динамическое)
развивались параллельно и практически независимо.
Результаты, полученные в каждом из них, относились к
различным практическим задачам и отвечали на воп-
росы, возникающие в качественно различных экспери-
ментальных ситуациях. Такое разнообразие подходов и
языков описания просуществовало до конца XX в., т.е. до
тех пор, пока не появилось стремление к построению
единой кинетической теории поведения воды на основе
переходов от хаоса к порядку.
Ещё в XVIII в. Шези пытался вывести уравнение,
описывающее равномерное движение воды в узком ка-
нале с учётом сопротивления трения о стенки канала,
предполагая, что это сопротивление пропорционально
квадрату средней по сечению канала скорости (закон
Шези). В XIX в. Пуазейль установил, что по мере уве-
личения сечения канала (что приводило к уменьшению
скорости течения воды) сопротивление движению воды
соответствовало не второй, а первой степени скорости
воды. Дальнейшие эксперименты показали, что правы
оба исследователя. Для области турбулентного движе-
ния (для больших скоростей) справедлив закон Шези, а
для области ламинарного движения (для малых скорос-
тей) справедлив закон Пуазейля.
О. Рейнольдс в опытах с окрашенными струями в
потоке ввёл безразмерное число Re = VL/v (где L —
характерный размер течения, V — скорость, v — кине-
матическая вязкость) и впервые связал закон Пуазейля
со слоистым, ламинарным, течением жидкости, а закон
Шези — с нерегулярным, случайным, турбулентным
движением. Переход от ламинарного течения жидкости
к изменяющемуся во времени турбулентному движению
происходил тогда, когда некоторая безразмерная комби-
нация скорости жидкости, её вязкости и размеров трубы
достигала определённых значений. В результате было
установлено, что ламинарное движение устойчиво
только при Re < 2000, а при больших Re возникает
турбулентность. Так, для воды, текущей по трубе диа-
метром 1 см при комнатной температуре, ламинарный
режим, как правило, перестаёт существовать уже при
средней скорости течения С 30 см с-1.
Первый этап объединения различных теорий был
связан с экспериментальными успехами, убеждающими
в том, что турбулентность представляет собой простран-
ственно-временной хаос взаимодействующих молеку-
лярных структур. Этот факт качественно подтвердили
эксперименты с визуализацией гидродинамических тече-
ний. Количественное обоснование указанного факта по-
лучили при обработке измерений и сравнительно просто
добились совпадения экспериментальных данных с ре-
зультатами численного компьютерного эксперимента
для двумерной турбулентности, описываемой уравне-
ниями Навье - Стокса с периодическими граничными усло-
виями [141].
В результате стало ясно, что существует два типа
переходов неустойчивости воды. Первый — это молеку-
лярная структурная неустойчивость, связанная с пере-
ходами при увеличении температуры от льда к жидкости.
Второй — это кинетическая неустойчивость, связанная со
слоевым повышением давления на движущуюся жид-
кость, по цепи переходов: ламинарное движение ква-
зиламинарное движение турбулентность. Очевидно,
что при таких допущениях квазиламинарное движение
представляет собой переходный режим, т.е. композицию
из смешения двух типов переходов — структурных и
кинетических.
Эту композицию можно рассматривать как набор
неизохронных маятников, которые могут как колебать-
ся со случайными частотами, так и синхронизоваться при
определённых условиях. Другими словами, вода содер-
жит набор мод колебаний. При изменении скорости
движения система распадается на многочисленные
моды, приводящие к вихрям. Малые структурные флук-
туации в жидкости не в состоянии разрушить странный
аттрактор. В странном аттракторе, формируемом кине-
тикой сдвигов жидкости, экспоненциальное расслоение
траекторий внутри оказывается сильнее случайной внеш-
ней силы при малых флуктуациях [141]. Поскольку ан-
самбль из большого числа мод с разнообразным харак-
тером взаимодействия между ними может демонстриро-
вать как когерентное динамическое, так и стохастическое
динамическое поведение, т.е. в переходном варианте жид-
кость является детерминированно-стохастической систе-
мой. В средах с дисперсией, каковой является вода, такие
волны представляют собой результат синхронизации
частот бесконечного числа пространственных гармоник.
В рассматриваемой системе существует два меха-
низма возникновения неустойчивости. Первый связан с
развитием неустойчивости при распаде индивидуальных
молекулярных структур при возрастании критичности,
второй — в соответствии с идеей Френкеля, с появлением
дислокаций в упорядоченной решётке структур [142, 143].
Первый механизм, по-видимому, обусловлен возникно-
вением нетривиального временного поведения в различ-
ных течениях, которое связано либо с изменением соб-
ственной динамики индивидуальных структур, либо с
появлением в ансамбле структур коллективных возбуж-
дений. При этом сложное поведение и даже хаотическая
динамика могут возникнуть в пространственно-упорядо-
ченных течениях в отсутствие изменения их молекуляр-
ной структуры.
Переходы от простой динамики к сложной при
сохранении пространственной структуры ничем не отли-
чаются от известных бифуркаций в системах с сосредо-
точенными параметрами, и для них должны быть спра-
64
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
ведливы результаты теории конечномерных динамиче-
ских систем [38]. Это, в частности, относится к динамике
азимутальных мод на вихрях Тейлора при движении
жидкости между вращающимися цилиндрами [133] или
при возникновении вихрей Обухова [144]. Если слой
является тонким, а бассейн — небольшим, то характер
неустойчивости может быть связан с неустранимостью
трения о поверхности стенок бассейна. Это трение играет
решающую роль в развитии закритичных вихревых те-
чений, появлении когерентных структур или турбулент-
ности [140].
Таким образом, для воды странный аттрактор явля-
ется визуальным отображением турбулентности, кото-
рая допускает конечномерное представление неустойчи-
вости при решении уравнений Навье-Стокса в частных
производных. Для двумерных течений или движений
жидкости в ограниченном бассейне его границы играют
роль резонатора, который отбирает моды. Эксперимент
с ячейкой Хеле-Шоу (Hele-Shaw cell), в котором вода
впрыскивается сверху или снизу в тонкий зазор между
двумя прозрачными гидрофобными (или гидрофиль-
ными) пластинами, делает этот процесс наглядным —
можно наблюдать изменяющееся во времени изображе-
ние. Для таких потоков воды граничные условия опреде-
ляются давлением и поверхностным натяжением воды.
Эти эксперименты, как и наш эксперимент с термо-
конвекцией воды [60], подтверждают аттракторную мо-
дель турбулентности и демонстрируют зависимость
появляющихся ячеек от формы границ бассейна. Стран-
ный аттрактор, согласно теории гидродинамической
турбулентности, в неравновесной диссипативной среде
характеризуется сплошным спектром во времени и
дискретным — в пространстве. Этот аттрактор связы-
вает временную кинетическую неустойчивость с прост-
ранственной структурной неустойчивостью жидкости
[144, 145].
Итак, в приложении к воде переход порядок-хаос —
не абстрактная гипотеза, а характеристика реальных
неупорядоченных процессов, которая может быть выра-
жена количественно. Применительно к турбулентности
переход порядок-хаос означает появление локализован-
ных метастабильных состояний в молекулярных струк-
турах [137, 138].
Однако эти данные не смогли убедить сторонников
существования долгоживущей молекулярной информа-
ционной матрицы воды. Их возражения сводились к
следующему утверждению: переход от ламинарного те-
чения к турбулентному эквивалентен встряхиванию сосу-
да с водой. При этом структура информационной мат-
рицы воды может разрушиться. Но если не встряхивать
сосуд, то она сохраняется долго.
Покажем, что и при ламинарных течениях молеку-
лярные структуры в чистой, без посторонних примесей,
воде долго существовать не могут.
4.5. Сравнение структур в воде в виде ячеек
Рассмотрим структуры в виде ячеек, которые часто
встречаются в природе.
На рисунке 15 приведены четыре типа ячеек в жидко-
стях, наблюдавшихся нами в разных экспериментах. Все
эти структуры образуются в результате конвекции, хотя
её механизмы для разных сред различны. Для жира
кашалота и воды — это термоконвекция. Термоконвек-
ция в подогреваемом снизу тонком слое жидкости
Рис. 15. Разные типы ячеистых структур: (а) ячейки в эксперименте с
подогревом снизу жира кашалота [76]; (б) ячеистая структура,
создаваемая биоконвекцией инфузориями тетрахименами, обладаю-
щими кислородно-гравитационным таксисом [146]; (в) ячеистая
структура в химической колебательной реакции Белоусова-Жабо-
тинского [147]; (г) наблюдаемая с помощью матричного тепловизора
в ИК-области длин волн 3-5 мкм ячеистая структура тёплой воды,
возникающая вследствие конвекции при испарении с поверхности в
чашке Петри [60].
описывается уравнениями гидродинамики и теплопро-
водности в приближении Буссинеска [148]. При термо-
конвекции важна вертикальная сила. В воде термокон-
векция может возникать как при подогреве снизу, так и
вследствие испарения при охлаждении сверху. При этом в
малом бассейне слой жидкости становится неустойчи-
вым, поскольку менее плотная страта внутри жидкости
начинает подниматься вверх, тогда как более тяжёлая
верхняя страта опускается вниз, образуя ячейки [60].
Аналогичным образом в случае вращающейся жидкости
при действии на её отдельные микрообъёмы центробеж-
ной силы может возникать горизонтальная конвекция.
Так образуются структуры, например, в течении Тей-
лора-Куэтта. Эти течения могут быть ламинарными,
возникающими в вязкой жидкости между двумя парал-
лельными стенками (необязательно плоскими), одна из
которых движется относительно другой. Течение стаби-
лизируется в результате действия на жидкость сил
динамической вязкости и сдвигового напряжения, парал-
лельного стенкам. Течение жидкости становится неу-
стойчивым (турбулентным), поскольку по мере удале-
ния от оси вращения происходит ослабление циркуляции
внешних слоёв жидкости [133]. К таким же явлениям
относится возникновение прямоугольных решёток ряби
Фарадея в слое жидкости на вибрирующей подложке
[149].
Физический механизм возникновения неустойчивости
в сдвиговом течении тонкого слоя жидкости (т.е. потока с
поперечным градиентом скорости) связан со всё увели-
чивающимся периодическим прогибом поверхности раз-
дела, порождаемым флуктуациями давления. Легко
показать (сегодня это задают как упражнение студен-
там), что в слое с малой толщиной в идеализированном
случае возмущения возрастают экспоненциально при
всех значениях волнового числа. Качественное объясне-
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
65
Рис. 16. Выделение контуров, (а, в) Исходные изображения ячеек,
(б, г) Преобразованные контурные изображения.
ние этого явления было дано ещё А. Эйнштейном (см.
также раздел 5.1).
Приведём ещё один эксперимент из нашей практики.
В экспериментах по наблюдению динамики изменения
ячеек в воде нами использовались матричные теплови-
зоры, работающие в диапазоне длин волн 3-5 мкм с
температурной чувствительностью не хуже 0,02 °C при
скорости регистрации 150 кадров в 1 с, а в диапазоне длин
волн 8-12 мкм — с чувствительностью 0,04 °C и про-
странственным разрешением 320 х 240 элементов на
кадр, что с учётом оптики позволяет регистрировать
события с пространственным разрешением до 30 мкм.
С целью слежения за динамикой изменения параметров
ячеек была разработана компьютерная программа. Реа-
лизованные в программе алгоритмы цифровой обра-
ботки видеоизображений включали в себя последо-
вательную фильтрацию видеоизображений на основе
фурье-преобразования, дифференцирование, бинариза-
цию и скелетонизацию с последующей векторизацией
полученных наборов точек для получения связанных
контуров. На рисунке 16 показаны результаты работы
этой программы.
На основе суммирования длин полученных контуров
в каждом кадре можно вычислить изменение во времени
безразмерного интегрального показателя Ф(/), характе-
ризующего форму совокупности всех ячеек в бассейне:
Ф(г) = Е,- , (42)
где pi{t) — длина z-го контура, t — время, L —
характерный размер (диаметр чашки Петри), N — число
замкнутых контуров.
Вычислив для каждой из точек контура направление
касательного вектора, можно построить интегральную
гистограмму распределения направлений контуров для
каждого момента времени (рис. 17), что позволяет
оценить их среднее преимущественное направление и
может служить ориентационным параметром вращения
воды как целого, которое она испытывает из-за кривизны
и ограниченных размеров бассейна.
При последовательном анализе кадров можно опре-
делить изменение скорости вращения всей воды в чашке
Петри. Рисунок 17 иллюстрирует движение всего объёма
тёплой воды в чашке. Это движение возникает само-
произвольно под действием двух температурных гра-
диентов — вертикального и горизонтального. Верти-
кальный градиент является следствием испарения воды
в чашке, горизонтальный — кривизны стенок бассейна и
флуктуаций передачи тепла стенкам. Кроме того, в цент-
ре чашки наблюдается вихревая воронка. При уменьше-
нии диаметра воронки должна увеличиваться её длина. В
соответствии со второй теоремой Гельмгольца [150]
произведение векторов угловых скоростей на площадь
Рис. 17. Варианты представления результатов обработки фильмов, (а) Выделение контуров, (б) Гистограмма распределения углового
расположения контуров, (в) Изменение показателя формы ячеек Ф(г) во времени по мере остывания воды, (г) График того же изменения
показателя формы ячеек Ф(г) во времени в полярных координатах.
5 УФН, т. 184, № 1
66
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
цилиндра должно оставаться неизменным, т.е.
£21^1 = О2Д2 ? (43)
где £1ц2 — угловые скорости, Лц2 — площади поверхно-
сти цилиндрической воронки. Важно отметить, что при
малой вязкости все силы на поверхности цилиндриче-
ского объёма воронки перпендикулярны её поверхности.
Силы давления могут изменить цилиндрическую форму
воронки, но без тангенциальных сил величина количе-
ства движения жидкости внутри цилиндра измениться не
может. Энергия движения Е пропорциональна квадрату
угловой скорости вращения со, которая в свою очередь
пропорциональна завихрённости £2:
Е = mR2a>2 , (44)
где т — масса воды в вихре, R — радиус вихря. При
постоянстве массы вихря получим
(mAi2)£2i = (ш7?22)£22 . (45)
Выражения (44), (45) — следствие одного и того же факта:
момент количества движения каждого элементарного
цилиндра внутри цилиндра всего вихря в воронке изме-
ниться не может (это следствие третьего уравнения
Гельмгольца). Причём с изменением радиуса вихря
будет изменяться плотность завихрений, а объём цилин-
дрического вихря сохранится, следовательно, справед-
ливо следующее отношение:
где Н— высота вихря. Отсюда следует: при стремлении
глубины бассейна Н к нулю вихрь возникнуть не может,
так как радиус вихря при этом стремится к бесконечно-
сти, и если площадь бассейна ограничена, то вихрь
выходит за его пределы и исчезает. Направление
закрутки вихря при полной симметрии начальных усло-
вий, по-видимому, равновероятно. Вихрь может закру-
титься с вероятностью 1/2 как вправо, так и влево.
Однако выполнение условия полной симметрии практи-
чески не реализуемо, поскольку зависит от многих
факторов, даже от места расположения наблюдателя и
регистрирующей камеры, поскольку они излучают тепло
(рис. 18). Мы хотим обратить особое внимание читателя
на последний факт, поскольку он объясняет расхождение
на 14% результатов экспериментов Перрена с ре-
зультатами теории Эйнштейна-Смолуховского (см.
раздел 1.1.)
Интенсивность процесса конвекционного самопере-
мешивания воды зависит от температуры, давления и
граничных условий, т.е. от стенок бассейна. Перемеши-
вание возрастает в гидродинамических течениях при
увеличении надкритичности (числа Рейнольдса, числа
Рэлея и т.п.). Надкритичность формируется в результате
развития иерархии неустойчивостей. При этом изме-
няются как масштабы структур, так и их пространствен-
ная и временная симметрии. Несмотря на огромное мно-
гообразие макроструктур и путей переходов от простых
структур к более сложным, имеющиеся к настоящему
времени экспериментальные и теоретические (преиму-
щественно численные расчёты на основе молекулярной
Рис. 18. Типичная фильмограмма (см. фильм 3) конвективных ячеек в
последовательных кадрах (1-6), наблюдаемых в ИК-диапазоне 3-
5 мкм в переходном процессе при остывании воды в круглой чашке
Петри диаметром 17 см. Температура уменьшалась от 40 °C (кадр 1)
до 32 °C (кадр 6). Температура в комнате 21 °C, давление — атмо-
сферное, влажность 44 %. Кадры отстоят друг от друга по времени
на 2 с. Весь объём воды в чашке вращается с частотой ~ 0,1 Гц.
динамики) результаты позволяют представить некото-
рую общую картину.
Из этого эксперимента и общей теории следует
вывод: вода почти всегда находится в состоянии само-
перемешивания. Значит, надежда на наличие в ней какого-
то информационного структурного каркаса лишена осно-
ваний. Такой каркас был бы уничтожен в результате
самоперемешивания, которое возникает вследствие кон-
векции, порождаемой флуктуациями температуры. Вода,
отреагировав на воздействие, после его прекращения
должна вновь вернуться в своё исходное динамическое
состояние с постоянным самоперемешиванием, завися-
щим от температуры среды, атмосферного давления и
силы тяжести.
Предпоследний аргумент сторонников существова-
ния долгоживущей молекулярной информационной мат-
рицы воды состоит в том, что структура информацион-
ной матрицы воды может поддерживаться благодаря
электростатическим взаимодействиям, которые силь-
нее гравитационных.
Покажем несостоятельность и этого аргумента.
5. Неустойчивость поведения воды,
возникающая под действием внешней силы
5.1. Эффект неустойчивости Рэлея-Тейлора
Рассмотрим два способа возмущения воды. Первый —
это неустойчивость Рэлея-Тейлора, которая возникает
между двумя контактирующими жидкостями с различ-
ной плотностью [151, 152].
Когда более плотную жидкость наливают на поверх-
ность менее плотной, под действием силы тяжести более
плотная жидкость проникает в менее плотную. Приме-
ром такой неустойчивости может служить, например,
неустойчивость, возникающая, когда жидкий перфторде-
калин или глицерин наливают на поверхность воды.
Любая гидрофобная жидкость, более тяжёлая, чем
вода, проникая в воду, будет создавать трансформирую-
щийся медузоподобный поток с набором ’’крючковатых
пальцев” (рис. 19).
Объяснить такое явление несложно. Неустойчивость
Рэлея - Тейлора возникает из-за неустойчивости границы
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
67
Рис. 19. Покадровая фильмограмма развития во времени нестабиль-
ности Рэлея-Тейлора при движении в пробирке гидрофобной не-
смешиваемой с водой жидкости. Светлые области в верхней части
рисунка — движущаяся гидрофобная жидкость с плотностью, боль-
шей плотности воды. Тёмные области в нижней части рисунка —
вода.
g = —sz, а экспонента Ляпунова будет иметь вид exp (cot)
при со = \/Asa > 0, где а — пространственное волновое
число. Поскольку показатель экспоненты положителен,
то неустойчивость будет развиваться по оси х, что
приведёт к искривлению границы контакта в виде про-
туберанцев, которые закручиваются по ходу движения
тяжёлой жидкости.
Приближённое решение задачи неустойчивости Рэ-
лея-Тейлора возможно в рамках линейной теории
устойчивости Буссинеска [154, 155]. Таких неустойчивос-
тей, приводящих к различным видам структур, существу-
ет очень много, например неустойчивости Рихтмайера-
Мешкова [156] и Кельвина - Гельмгольца [157], грибо-
видные облака (mushroom cloud) [158], нестабильность
плато Рэлея (Plateau-Rayleigh instability) [159], вихревая
дорожка Кармана (Karman vortex street) [160] и т.п.
Однако в этих процессах нестабильность появляется
при наличии контакта двух жидкостей или газов с разной
плотностью. Возникает вопрос: можно ли получить по-
хожую неустойчивость только на одной воде, не ис-
пользуя другую жидкость? Ответ: можно. Рассмотрим
такой вариант возмущения чистой воды с помощью её
локального облучения электромагнитными волнами.
Опишем один эксперимент из нашей практики [161].
раздела двух жидкостей с разными плотностями. Это
происходит, когда движение одной из жидкостей уско-
ряется относительно другой. Основным параметром,
определяющим скорость развития этой нестабильности,
является критерий подобия, характеризуемый безраз-
мерным числом Атвуда А:
л _ - Р1
Pl + Р2
(47)
где ру — плотность более тяжёлой жидкости, р2 —
плотность более лёгкой.
Контакт плоскопараллельных слоёв несмешиваю-
щихся жидкостей, более плотной в верхней части слоя и
менее плотной в его нижней части, перемещается под
действием гравитации Земли. Равновесие на границе в
точках контакта поверхностей неустойчиво, поскольку
экспонента Ляпунова имеет положительный показатель
степени. Таким образом, случайно возникшее возмуще-
ние будет возрастать, что приведёт к трансформации
границы контакта.
Однако не всякий контакт поверхностей разных
жидкостей приводит к выраженной неустойчивости.
Если показатель экспоненты Ляпунова отрицателен, то
слоевое смещение сохранит плоскую границу контакта.
Например, при атмосферных явлениях на Земле можно
наблюдать облака с чёткими границами. Однако если
такие облака рассматривать при большом увеличении,
то на границах контакта водяного пара и воздуха можно
заметить небольшие завихрения [153].
В начале движения при z = 0 скорости иу и и? сколь-
жения поверхности более плотной жидкости по поверх-
ности менее плотной равны нулю, i/i(x,z) = uz(x, z)= 0.
Движущей силой слоёв является гравитационное поле
ускорения свободного падения с постоянным g. Это поле,
направленное по оси z, со временем увеличивает скорость
относительного перемещения границ контакта, йу = gtw
U2 = — gt. Состояние равновесия существует до тех пор,
пока на границе контакта, описываемого средним полем
скоростей, не появится любое возмущение е. При этом
5.2. Возможны ли в воде резонансы?
Как отмечалось, при внешнем воздействии силы на
любую систему она стремится сохранить состояние
равновесия. Для воды это стремление определяется её
вязкостью. Однако вязкость воды низка.
Под действием силы может происходить отклоне-
ние системы Xi от равновесия: ДА/ = Tifi. Как поведёт
себя вода, если воздействующая сила будет изменяться
во времени, например, периодически с частотой со, т.е.
fM =fic°s (cot). Тогда отклонение
т f'
\Xi = - == cos (со/ + ср),
Щ + ®2Т,2
(48)
где ср — фазовый сдвиг, tan ср = сот/. При этом функция
ДА/(со, ср) должна быть немонотонной и иметь экстре-
мум. Поглощаемая системой энергия Q (со) от воздей-
ствующей силы:
2И
СОТ;
1 + (сот/)2
(49)
Функция 2(со) при сот/ = 1 имеет максимум — это
кинематический, или релаксационный, резонанс. Можно
ли получить заметный релаксационный резонанс на
молекулярных структурах воды? Ответ: это сделать
практически невозможно.
Причина состоит в том, что вода является распреде-
лённой, трудно сжимаемой системой, в которой присут-
ствует смесь отдельных молекул, ионов и молекулярных
структур воды. Их сочетания флуктуируют с характер-
ными временами порядка 10“11 —10-12 с, т.е. с частотой в
диапазоне из нескольких терагерц. Если частицы воды в
среднем имеют энергию Е = к^Т, то, в соответствии с
теорией де Бройля, их частота
Е къТ
v = — =---
h h
где Т — средняя температура воды, h — постоянная
Планка. При Т = 300 К частота v 6.6 х Ю10 Гц.
(50)
5*
68
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
Рис. 20. Выбросы тепла на поверхности воды при разных величинах толщины слоя воды и подаваемой от генератора мощности.
Если в качестве возбуждающих воду частиц взять,
например, электроны с энергиями в диапазоне 10° —
104 * * * В эВ, то длина их волны де Бройля будет лежать в пре-
делах от ~ 1 нм до 10-2 нм, т.е. частота будет находиться
в диапазоне рентгеновского излучения 109 * * —1011 Гц. Од-
нако такие энергии будут разрывать водородные связи, а
локальные резонансы, если они и будут проявляться,
потонут в шуме подвижности ионов воды. Другими сло-
вами, добротность воды низка. Хотя динамическое
изменение структур в воде можно наблюдать, это из-
менение связано не с молекулярными резонансами во
времени, а со сдвиговой неустойчивостью водных по-
верхностей в пространстве. Приведём пример такой
неустойчивости.
5.3. Особый эффект неустойчивости
под воздействием электромагнитного поля
Постоянная непрерывная, но локальная подкачка энер-
гии в слой воды, например, в гигагерцевом диапазоне,
создаваемая смодулированным электромагнитным
полем, при определённых параметрах системы вызы-
вает появление большого разнообразия метаморфоз
поднимающегося тёплого потока. Форма потока транс-
формируется, напоминая перевёрнутую структуру неу-
стойчивости Рэлея-Тейлора (см. рис. 19), хотя механизм
её появления — другой, а именно возникновение одиноч-
ной ячейки термоконвекции. При этом из-за расширения
объёма воды появляется сила Архимеда и ячейка всплы-
вает. Этот процесс соответствует описанию конвекции
Рэлея-Бенара при активном нагревании слоя воды в
нижней части сосуда. Возникновение конвекции под
действием возбуждения электромагнитными волнами
связано с переносом тепла и массы воды в результате
эстафетного механизма передачи энергии микровибра-
ций молекул и ионов воды. При этом на поверхности
воды, в зависимости от толщины её слоя и подаваемой от
генератора мощности, возникает выброс тепла в виде
расширяющихся ячеек, которые, достигая поверхности
воды, во времени могут появляться как парные, тройные
и т.д., включая периодические колебания выброса тепла
(рис. 20).
Рис. 21. Схема эксперимента. Снизу к чашке Петри диаметром 35 мм,
заполненной водой на глубину 2-3 мм, через волновод подаётся
электромагнитное поле. Кинетика нагрева воды регистрируется с
помощью матричных тепловизоров в диапазоне длин волн 3-5 мкм.
Кратко опишем эксперимент. Производится локаль-
ный нагрев воды снизу в центре чашке Петри от ге-
нератора электромагнитных волн с частотой 52,25 ГГц;
максимальная мощность генератора невелика, всего
42 мВт. Площадь облучающего воду волновода состав-
ляет 2,6 х 5,2 = 13,52 мм2. Расстояние от воды « 1 мм.
Схема эксперимента показана на рис. 21.
На рисунке 22 приведена фильмограмма динамики
процесса нагрева воды с помощью электромагнитного
излучения в течение первых 12 с.
В воде возникают два потока. Локально нагретый
поток воды плотностью рг движется вверх, вытесняя по
ходу своего движения холодную воду и создавая тем
самым холодный поток плотностью р2> который обте-
кает восходящий нагретый поток и движется вниз. В
начальный момент в состоянии равновесия имеем урав-
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
69
Рис. 22. Динамика поведения теплового рельефа (вид сбоку) в те-
чение первых 12 с, зарегистрированного ИК-тепловизором в диапа-
зоне длин волн 3-5 мкм с температурной чувствительностью не
хуже 0,007 °C при скорости регистрации 150 кадров в секунду. Кадры
разделены интервалом 3 с. Толщина слоя воды 2,5 мм.
нение
dz dz
(51)
где i/i и i/2 — скорости восходящего и нисходящего
потоков соответственно, z — координата вертикальной
оси. Вследствие возникновения нестабильностей на гра-
нице двух движущихся навстречу друг другу потоков
давление внутри восходящего столба уменьшается. Это
приводит к его сжатию с образованием на гладкой
границе едва заметных ’’крючковатых пальцев” (рис. 23).
Кроме того, на границе поверхностей двух соприкасаю-
щихся встречных потоков из-за разницы температур
может изменяться поверхностное натяжение. Этот
эффект известен как термокапиллярная конвекция, или
эффект Марангони. При этом на границе слоёв воз-
можны три разных ситуации, которые определяются
соотношением проекций на оси х и z давления внутри
тёплого восходящего потока и давления р2 внутри
холодного опускающегося потока. Проекции векторов
давлений на оси х и z могут иметь следующие соотноше-
ния:
а) P1.V > Р2х ,
P\z > Р2-.;
б) pLx < р2х, pi: > P2z;
(52)
в) Р1.Х > Р2Х ,
Р1: < Р2-.
Графики на рис. 23а, бив соответствуют соотношениям
давлений (52). Только в случае варианта, представлен-
ного на рис. 236, суммарное давление patm + Pg на
поверхности воды может быть преодолено, что вызовет
выброс горячего потока. Здесь patm и — атмосферное
давление и давление поверхностного натяжения соответ-
ственно. При этом на поверхности воды возникают
быстро распространяющиеся механические (рис. 24а) и
тепловые (рис. 246) волны.
В этой ситуации могут возникать выбросы тепла как
парных и тройных, так и периодических длительных
колебаний, показанных на рис. 20. Механизм возникно-
вения колебаний в воде интересен, особенно ввиду
воздействия электромагнитных волн на живые системы,
и он заслуживает более подробного описания. Однако в
контексте данного обзора важен не сам процесс локаль-
ных тепловых колебаний молекул и ионов воды [162], а
память воды, т.е. время релаксации воды после выклю-
чения генератора.
Релаксационное время прихода воды к термодинами-
ческому равновесию зависит от многих факторов, пре-
жде всего от времени восстановления разорванных свя-
зей в молекулах воды. Эти разрывы приводят к возник-
новению многочисленных ионов воды. Одними из глав-
ных факторов являются размеры бассейна L и темпера-
туропроводность воды %. Как отмечалось в разделе 2.1,
характеристическое время выравнивания температуры Т2
прямо пропорционально L2 и обратно пропорционально
/: Т2 ~ £2/х- При длительном воздействии на воду
электромагнитным полем время релаксации составляет
около 1 сут. По истечении этого времени в воде не
останется никаких регистрируемых ’’воспоминаний” о её
облучении электромагнитными волнами. Это утвержде-
ние есть экспериментальный факт, поскольку все приве-
дённые в разделе 4.5 структуры конвекции и их динамика
в воде, которая не подвергалась облучению, не отли-
чаются от таковых в облучённой воде.
Последний аргумент сторонников существования па-
мяти у воды — это статистическое доказательство
лечения больных растворами в высоком разведении, что
якобы подтверждает гипотезу о том, что вода сохра-
няет биологическую активность и "помнит" о прошлых
растворах.
Объяснение этого явления (эффекта плацебо) выхо-
дит за рамки физики воды, и поэтому мы вынесли его в
приложение.
6. Заключение
Важность связанной и свободной воды во всех молеку-
лярных структурах живого организма трудно переоце-
нить. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибону-
клеиновая кислота (РНК), все виды белков, мембраны
Рис. 23. Примеры трёх графиков нагрева восходящего потока. По оси абсцисс отложена толщина потока в пикселах (1 пиксел = 0,15 мм), по
оси ординат — его температура.
70
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
Рис. 24. (а) Изображение распространяющихся на поверхности воды
механических волн, зарегистрированное фотокамерой в видимом
диапазоне длин волн при боковом освещении, (б) Изображение
распространяющихся на поверхности воды тепловых волн (см.
фильм 4), полученное с помощью ИК-тепловизора в диапазоне длин
волн 3-5 мкм с температурной чувствительностью « 0,007°C при
скорости регистрации 150 кадров в секунду. Диаметр расширивше-
гося пятна 2 см.
клеток, все органы и транспортные сети организма
(кровь, лимфа, клеточная жидкость и др.) не могут
функционировать без воды. В обеспечении жизнеспособ-
ности нашего организма вода занимает второе место
после кислорода.
Вода является важным партнёром при образовании
сравнительно долгоживущих структур как в технологи-
ческих процессах, так и внутри живого организма.
Кристаллогидраты, гидроксилы, коллоиды, гели, слизи,
фосфолипидные мембраны, кости организмов и т.п. —
все эти конструктивные элементы живого организма
формируются в водной среде с участием молекул и
ионов воды. Тем не менее гипотеза о существовании
памяти у самой чистой воды опровергается результа-
тами экспериментов, которые изложены в настоящем
обзоре.
Во-первых, вода всегда находится в состоянии теп-
лового самоперемешивания, следовательно, надежда на
наличие в ней какого-либо информационного каркаса
лишена оснований.
Во-вторых, гипотеза о существовании в воде долго-
живущих структур, которые могли бы являться некото-
рыми информационными матрицами и служить элемен-
тами памяти, опровергается описанными в разделах 3 и
4.5 экспериментами, которые демонстрируют процесс
перемешив ания.
В-третьих, поведение воды на молекулярном уровне
также не даёт оснований для предположения о существо-
вании у неё долгоживущей памяти. Водородные связи,
объединяющие молекулы воды, — слабые, а время жизни
этих связей составляет несколько пикосекунд, что пока-
зано в разделе 4.
Наконец, гипотеза о том, что обработанная с по-
мощью электромагнитных (или каких-либо других) воз-
действий чистая вода помнит о самом факте воздействия,
изменяя свои свойства, опровергнута экспериментом,
описанным в разделе 5.3. Спустя не более чем одни
сутки после прекращения воздействия вода демонстри-
рует обычное поведение, которое не отличается от по-
ведения воды, не подвергавшейся воздействию.
Таким образом, можно сделать обобщающий вывод:
вода не обладает долговременной памятью о прошлых
механических, магнитных и электромагнитных воздей-
ствиях или растворяемых в ней веществах. Время ре-
лаксации воды после любых воздействий — не более одних
суток. После многократного разведения, приводящего к
полному удалению из воды ранее содержавшихся в ней
любых веществ, вода не помнит как о прошлом наличии в
ней этих веществ, так и о прошлых внешних физических
воздействиях на неё. Нет никаких оснований утверж-
дать, что в воде существует распространяющаяся на
весь её объём молекулярная информационная матрица,
которая могла бы служить долговременной памятью о
воздействиях на воду. Гипотеза о том, что вода обладает
памятью, является "столь же ненужной, как и надуман-
ной гипотезой, которая противоречит физико-химиче-
ским экспериментам" 4.
7. Приложение
Эффект плацебо (от лат. placebo, буквально — ’’понрав-
люсь”) присутствует в физиологии и медицине, поэтому
его наличие может приводить к ошибочным утвержде-
ниям. Под этим эффектом понимают явление времен-
ного улучшения здоровья человека, когда он верит в
эффективность даже нейтрального воздействия. Степень
доверия зависит от внушаемости человека и внешних
обстоятельств: процедуры введения препарата; реклам-
ных сообщений, в которых пациенту предлагают препа-
рат-пустышку, но ’’доверительно” убеждают в его
особой эффективности и т.п. Врачи-психотерапевты
знают, что эффекта плацебо можно добиться, словесно
воздействуя на пациента (’’будет лучше в течение не-
скольких дней”, ’’это лечение, безусловно, приведёт к
восстановлению здоровья”, ’’боль исчезнет” и т.п.) [163].
Эффект плацебо указывает на то, что человека и его мозг
обмануть совсем несложно. Использование плацебо в
качестве лечения в клинической доказательной меди-
цине этически является проблематичным, поскольку оно
основывается на обмане и противоречит клятве Гиппо-
крата [164]. Ложь во имя спасения в западной медицине
подвергается критике. Во многих религиях к внушениям
и вызываемым ими эффектам отношение снисходитель-
ное и даже положительное.
Гипноз и внушение для биофизики остаются об-
ластью исследований, в которой мы пока не обладаем
полнотой знаний. Тем не менее известно, что любое
вмешательство в поведение сложной системы приводит
к её перестройке. В процессе релаксации организм ищет
новое устойчивое состояние, отвечающее условиям внеш-
ней среды и внутренней среды организма [165]. На эту
тему в УФН было опубликовано несколько обзоров
[165-168].
В чём состоит сложность отделения эффекта плацебо
от эффективности самого действующего агента? Каза-
лось бы, проверка препаратов на животных уже исклю-
чает эффект плацебо, так как животные не подвержены
внушению. Лабораторная мышь, крыса или собака не
могут знать, что предлагаемый препарат может изба-
вить их от недуга. Врождённый инстинкт самосохране-
ния подсказывает им избегать постороннего вмешатель-
ства и защищать от него свой организм. Однако и среди
ветеринаров встречаются сторонники нетрадиционной
медицинской практики и гомеопатии в применении к
4 Сегодня часть медицинских препаратов не проходит широких
предварительных клинических испытаний и именуется биологиче-
ски активными добавками (БАД). При этом часть БАД относится к
диетологии, а многие из них являются просто ’’пустышками”, и их
’’эффективность” — это эффект плацебо. К таким ’’пустышкам”
относится и подвергнутая каким-либо воздействиям чистая вода.
Т. 184, №1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ?
71
животным. Дрессировщики животных, работники зоо-
парков и скотоводы знают, что характер отношения
человека к животному оказывает на них заметное
воздействие [169-171]. Например, ласковое поглажива-
ние животных уменьшает частоту сердечных сокращений
у собак [172] и лошадей [173], увеличивает отдачу молока
у коров и приплод у свиноматок [174]. Таким образом,
характер воздействия человека на животное может
играть важную роль в ответных реакциях животных и
на вмешательство в их организм. Когда собаку впервые
приводят в ветеринарную клинику, она дрожит в страхе.
Аналогично ведут себя дети и многие взрослые при
посещении больницы. Однако, получив некоторое ’’об-
легчение” от заболевания, поощряемое ласковым обра-
щением со стороны ветеринара животное приобретает
положительный условный рефлекс [175]. Грубое поведе-
ние экспериментатора или ветеринара, наоборот, может
вызвать ответную негативную реакцию и агрессию со
стороны животного. Лечение может оказаться неэффек-
тивным.
Эффект ноцебо — обратный эффект (от лат. ноцебо —
не понравлюсь) — ухудшает процедуру лечения и про-
является как у людей, так и у животных. Например,
трудно внушаемые люди в контрольной группе [176],
получившие инертное вещество, сообщают об ухудше-
нии самочувствия, а у животных это регистрируется по
объективным показателям сердечных сокращений.
Самолечение организма. Возникшие системы регуля-
ции всех живых организмов, начиная от бактерий, клеток
отдельных органов и кончая организмом в целом, были
эволюционно ориентированы на выживание в условиях
изменения внешней и внутренней среды [177-179]. На-
пример, для теплокровных организмов лихорадка, боль,
учащение пульса или повышение давления — это ответы
организма на отклонение от нормы (инфекции, травмы
или стресс). Известно, что повышение кровяного давле-
ния и лихорадка представляют собой проявления само-
лечения организма. Этими ответами организм стремится
остановить размножение бактерий или вирусов внутри
себя, снять стрессовое состояние. Конечно, повышение
температуры тела более чем до 42 °C наносит вред
самому организму. Структуры в подкорке мозга на
основе эволюционного отбора стали тем сравниваю-
щим устройством, которое осуществляет оценку затра-
ты/выгоды для выживания организма. При этом может
быть и ложная информация, порождающая эффект
плацебо. Ложные сведения о псевдолекарствах приводят
мозг в состояние временного заблуждения и могут
вызвать нерациональные решения, но с временным
улучшением самочувствия организма.
Временный эффект улучшения самочувствия связан с
тем, что в результате внушения в мозгу пациента
возбуждаются полосатое тело базальных ядер, подкор-
ковая миндалина и ряд других разделов мозга. Это
возбуждение стимулирует выработку стресс-белков, по-
нижающих чувствительность некоторых рецепторов
клеток [179, 180]. К таким соединениям относятся, в
частности, эндорфины — группа пептидных соединений,
которые синтезируются в нейронах мозга и обладают
способностью уменьшать боль, аналогично опиатам.
Эффект плацебо в ряде случаев может принести вред, но
на фоне временного улучшения самочувствия [181, 182].
Длительность эффекта плацебо может достигать
даже нескольких месяцев. Например, в течение восьми
недель зарегистрировано сохранение эффекта при нев-
Ультраструктура клеток;
фракционный состав белков,
ДНК, РНК; накопление и
выделение перфторуглеродов
®<§>
®®А
Са++
Модификация структуры
мембран; трансмембранный
перенос ионов
Ад(Н+)>1
Сопряжение
"дыхательной" функции
крови и трансформация
энергии в клетках
организма
Перфторуглероды.
поверхностно-
активные вещества
и их композиции
Ml|M
Деление клеток,
репликация ДНК;
хромосомные аберрации
Рис. 25. Обобщённая схема двух стадий доклинического тестирова-
ния активности перфторуглеродов, поверхностно-активных веществ
и их композиций (а) и готовых эмульсий (б) на биологические
мишени на разных уровнях структурной организации живого орга-
низма. (а) Молекулярно-клеточный уровень (тестирование in vitro)'.
А — цельная кровь и её компоненты, Б — эритроциты, В —
гемоглобин, Г — митохондрии, (б) Органо-организменный уровень
(эксперименты с функционирующими органами in vitro)'. А — сердце,
Б — система сердце-лёгкое, В — мозг (in vivo) и культура нервных
клеток (in vitro), Г — почка, Д — печень; ЛД5о (летальная доза 50) —
средняя доза вещества, вызывающая гибель половины членов ис-
пытуемой группы [186].

розе панического расстройства [183], до шести месяцев —
при стенокардии [184] и даже до двух с половиной лет —
при ревматоидном артрите [185].
Доказательство реальной эффективности действия
лекарственных композиций требует большого объёма
испытаний с определением мишеней внутри организма
и изменения поведения всего организма при данном
физико-химическом воздействии. На рисунке 25 в каче-
стве примера приведена схема двух стадий испытаний
при создании нами искусственного перфторуглеродного
кровезаменителя (перфторана) — переносчика кисло-
рода [186]. Этот препарат представляет собою мелкодис-
персную эмульсию из композиции двух жидких перфто-
руглеродов, стабилизированных поверхностно-актив-
ным веществом (ПАВ). Частички эмульсии взвешены в
72
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
водном физиологическом растворе. До передачи препа-
рата в клинику необходимо было изучить эффективность
и побочные реакции каждого из его компонентов и
полной их композиции на все системы как на молекуляр-
ном, так и на клеточном уровнях (рис. 25а), а также на
уровнях органов животных и их организма в целом
(рис. 256). Только после определения мишеней на моле-
кулярно-клеточном уровне можно было переходить к
следующим иерархически более высоким уровням орга-
низма, а затем к стадии испытаний на добровольцах в
условиях клиники. Тем не менее оценить вклад эффекта
плацебо даже в доказательной фармакологии оказы-
вается довольно сложной задачей.
Для этого создаются три группы испытуемых: одна
— изучаемая на предмет эффекта, две других — конт-
рольные. Первая группа испытуемых получает лечение с
помощью препарата, подлежащего оценке. Вторая
группа пациентов получает в аналогичной упаковке с
той же методикой введения нейтральный продукт (на-
пример, глюкозу), который не связан с данным воздей-
ствием на организм реального препарата. При этом
испытуемым во второй группе сообщается о якобы
высокой эффективности предлагаемого им препарата.
Третья группа не получает никакого лечения.
В контролируемых клинических испытаниях эффекту
плацебо, т.е. реакции на внушение, в среднем подвер-
жены более 20-25 % пациентов. Выраженность плацебо
зависит от вида заболевания, поэтому эффект плацебо
сильно различается при разных болезнях и может до-
стигать, например, при неврастениях 70 % [187].
Правомерно ли существование гомеопатии! Гомеопа-
тические препараты в настоящее время используются в
медицинской практике, несмотря на сомнения в их
эффективности. По этой причине и было высказано за-
щитниками гомеопатии предположение о том, что вода
может сохранять ’’память” о веществах, которые были
растворены в ней перед разведениями. Однако эта идея,
как показано в настоящем обзоре, не совместима с
нашими знаниями о физических свойствах и поведении
чистой воды.
Если бы такой эффект помимо эффекта плацебо был
доказан (что маловероятно), то исследователи должны
были бы сосредоточиться на изучении других аспектов
поведения растворённых ранее веществ в воде, таких как
присутствие в ней остаточных количеств этих веществ на
поверхностях раздела фаз, например на поверхности
микропузырьков газов или растворённых молекул, вы-
тесненных в зону поверхностного натяжения или прикре-
пившихся к стенкам сосуда.
Также не следует ожидать медицинского чуда от
применения так называемой омагниченной воды или
воды, обработанной электромагнитными полями. Эф-
фективность такой воды как лекарственной субстанции
является вымыслом — она не подтверждается экспери-
ментальными фактами. Распространение мифа об эффек-
тивности такого ’’лекарства” — это обман далёких от
науки людей.
Список литературы
1. Smoluchowski М, in Vortrage uber kinetische Theorie der
Materie und der Elektrizitat (Mathematische Vorlesungen an der
Universitat Gottingen, Bd. 6) (Leipzig: B.G. Teubner, 1914) p. 87
[Смолуховский M УФН 93 724 (1967)]
2. Lightfoot E N Transport Phenomena and Living Systems; Biomedical
Aspects of Momentum and Mass Transport (New York: Wiley, 1974)
[Лайтфут Э Явления переноса в живых системах'. Биомедицин-
ские аспекты переноса количества движения и массы (М.: Мир,
1977)]
3. Иваницкий Г Р УФН 180 337 (2010) [Ivanitskii G R Phys. Usp. 53
327 (2010)]
4. Shlesinger M F, Zaslavsky G M, Klafter J Nature 363 31 (1993)
5. Shinbrot T et al. Nature 363 411 (1993)
6. Smoluchowski M Phys. Z. 17 557 (1916)
7. Debye D Trans. Electrochem. Soc. 82 265 (1942)
8. Koch A L Biochim. Biophys. Acta 39 311 (1960)
9. Noyes R M Prog. React. Kinet. 1 129 (1961)
10. Adam G, Delbruk M, in Structural Chemistry and Molecular
Biology (Eds A Rich, N Davidson) (San Francisco, Calif.:
W.H. Freeman, 1968) p. 198
11. Berg H C, Purcell E M Biophys. J. 20 193 (1977)
12. Guorhi Z Sci. Sinica. 22 846 (1979)
13. Richter P H, Eigen M Biophys. Chem. 2 255 (1974)
14. Einstein A Ann. Physik 322 549 (1905) [Эйнштейн А, в сб.
Эйнштейн А, Смолуховский M Броуновское движение (Под
ред. Б И Давыдова) (М.-Л.: ОНТИ, 1936)]
15. Perrin J A toms (New York: D. Van Nostrand Co., 1916) [Перрен Ж
Атомы (Современные проблемы естествознания, Кн. 20, Под
общ. ред. А Д Архангельского и др.) (М.: Гос. изд-во, 1924)]
16. Matthews В W J. Mol. Biol. 33 491 (1968)
17. Geiger A, Stillinger F H, Rahman A J. Chem. Phys. 70 4185 (1979)
18. Eisenberg D, Kauzmann W The Structure and Properties of Water
(New York: Oxford Univ. Press, 1969)
19. Teixeira J Homeopathy 96 158 (2007)
20. Davenas E et al. Nature 333 816 (1988)
21. Maddox J, Randi J, Stewart W W Nature 334 287 (1988)
22. Coles P Nature 334 372 (1988)
23. Pollack G H The Fourth Phase of Water. Beyond Solid, Liquid, and
Vapor (Seattle, WA: Ebner and Sons, 2013)
24. Hirst S J et al. Nature 366 525 (1993)
25. Josephson В D ’’Molecule memories” New Scientist (2106) 66 (1997)
26. Benveniste J et al. FASEB J. 13 (1) 33 (2000)
27. Jonas Wayne В et al. FASEB J. 20 (1) 23 (2006)
28. Ovelgonne J H et al. Experientia 48 504 (1992)
29. Belon P et al. Inflammation Res. 48 (Suppl. 1) 17- 18 (1999)
30. Gliozzi M Storia della fisica (Torino, 1965) [Льоцци M История
физики (M.: Мир, 1970)]
31. Brillouin L Scientific Uncertainty and Information (New York:
Academic Press, 1964); Science and Information Theory (New
York: Academic Press, 1956) [Бриллюэн Л Наука и теория
информации (М.: Физматгиз, I960)]
32. Чернавский Д С УФН 170 157 (2000) [Chernavskii D S Phys. Usp.
43 151 (2000)]
33. Шеннон К Работы по теории информации и кибернетике (М.:
ИЛ, 1963)
34. Бальмаков М Д УФН 169 1273 (1999) [Bal’makovM D Phys. Usp.
42 1167(1999)]
35. Le Chatelier H Legons sur le carbone, la combustion, les lois
chimiques (Paris: J. Hermann, 1926) p. 357
36. Atkins P W The Elements of Physical Chemistry (New York:
W.H. Freeman, 1993)
37. Bohr N Atomic Physics and Human Knowledge (New York: John
Wiley, 1958) [Бор H Атомная физика и человеческое познание
(М.: ИЛ, 1961); Бор Н, в сб. Моделирование в биологии (Под ред.
Н А Бернштейна) (М.: ИЛ, 1963) с. 27, Перевод главы
’’Квантовая механика и биология” с небольшими сокращения-
ми]
38. Horsthemke W, Lefever R Noise-Induced Transitions (Berlin:
Springer-Verlag, 1984) [Хорстхемке В, Лефевр P Индуцирован-
ные шумом переходы (М.: Мир, 1987)]
39. Соболев С Л УФН 161 (3) 5 (1991) [Sobolev S L Sow Phys. Usp. 34
217(1991)]
40. Монин А С УФН 109 333 (1973) [Monin A S Sow Phys. Usp. 16 121
(1973)]
41. Монин А С УФН125 97 (1978) [Monin A S Sow Phys. Usp. 21 429
(1978)]
42. Монин А С, Жихарев Г M УФН 160 (5) 1 (1990) [Monin A S,
Zhikharev G M Sow Phys. Usp. 33 313 (1990)]
Т. 184, № 1] МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ? 73
43. Бершадский А Г УФН 160 (12) 189 (1990) [Bershadskii A G Sov.
Phys. Usp. 33 1073 (1990)]
44. Кошель К В, Пранц С В УФН 176 1177 (2006) [Koshel К V,
Prants S V Phys. Usp. 49 1151 (2006)]
45. Петников В Г, Стромков А А УФН 1811217 (2011) [Petnikov V G,
Stromkov A A Phys. Usp. 54 1176 (2011)]
46. Лучинин А Г, Хилько А И УФН 181 1222 (2011) [Luchinin A G,
Khil’ko A I Phys. Usp. 54 1181 (2011)]
47. Ингель Л X, Калашник М В УФН 182 379 (2012) [Ingel L Kh,
Kalashnik М V Phys. Usp. 55 356 (2012)]
48. Фрумкин A H УФЯ4 172 (1924)
49. Langmuir I Chem. Rev. 13 147 (1933) [Лэнгмюр И УФН 14 208
(1934)]
50. Freundlich H, in Ergebnisse der exakten Naturwissenschaften Vol. 12
(Berlin: Verlag von J. Springer, 1933) p. 82 [Фрейндлих Г УФН 14
742 (1934)]
51. Schaefer V J Am. Scientist 59 534 (1971) [Шефер В УФН 108 577
(1972)]
52. Богомолов В Н УФН 124 171 (1978) [Bogomolov V N Sov. Phys.
Usp. 21 77 (1978)]
53. Гетлинг AB УФН 161 (9) 1 (1991) [Getling AV Sov. Phys. Usp. 34
737 (1991)]
54. Волобуев A H УФН 165 177 (1995) [Volobuev A N Phys. Usp. 38
169 (1995)]
55. Стойлов Ю Ю УФН 170 41 (2000) [Stoilov Yu Yu Phys. Usp. 43 39
(2000)]
56. Куни Ф M, Щекин А К, Гринин А П УФН171345 (2001) [Kuni F M,
Shchekin A K, Grinin A P Phys. Usp. 44 331 (2001)]
57. Ванаг В К УФН 174 991 (2004) [Vanag V К Phys. Usp. 47 923
(2004)]
58. Тарасевич Ю Ю УФН 174 779 (2004) [Tarasevich Yu Yu Phys.
Usp. 47 717 (2004)]
59. Прохоров A M (Гл. ред.) Физический энциклопедический словарь
(М: Сов. энциклопедия, 1983) с. 633
60. Иваницкий Г Р, Деев А А, Хижняк Е П УФН 175 1207 (2005)
[Ivanitskii G R, Deev A A, Khizhnyak Е Р Phys. Usp. 48 1151
(2005)]
61. Иваницкий Г Р, Воробьев С И Вестник РАН 67 998 (1997)
[Ivanitskii G R, Vorob’ev S I Herald Russ. Acad. Sci. 61 452 (1997)]
62. Newton I Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Londini:
Jussu Societatis Regiae, 1687) [The Principia'. Mathematical Princi-
ples of Natural Philosophy (Berkeley, Calif.: Univ, of California
Press, 1999); Ньютон И Математические начала натуральной
философии (М.: Наука, 1989)]
63. Stokes G G Mathematical and Physical Papers (Cambridge: Univ.
Press, 1880-1905)
64. Фабелинский И Л УФН 167 721 (1997) [Fabelinskii I L Phys. Usp.
40 689 (1997)]
65. Pollard A M, Heron C Archaeological Chemistry 2nd ed. (Cam-
bridge: Royal Society of Chemistry, 2008) Ch. 10, p. 346
66. Арансон И С УФН 183 87 (2013) [Aranson I S Phys. Usp. 56 79
(2013)]
67. Тараховский Ю С, Иваницкий Г P Биохимия 63 723 (1998)
[Tarahovsky Y S, Ivanitsky G R Biochemistry 63 607 (1998)]
68. Бетяев С К УФН 165 299 (1995) [Betyaev S К Phys. Usp. 38 287
(1995)]
69. Aschoff J (Ed.) Biological Rhythms (New York: Plenum Press, 1981)
[Ашофф Ю (Ред.) Биологические ритмы Т. 2 (М.: Мир, 1984)]
70. Молчанов М В, Кутышенко В П, Буданцев А Ю, Иваниц-
кий Г Р Докл. РАН 442 828 (2012) [Molchanov М V, Kutyshenko
V Р, Budantsev A Yu, Ivanitsky G R Dokl. Biochem. Biophys. 442 52
(2012)]
71. Winterton RH S Contemp. Phys. 11 559 (1970) [УинтертонP УФН
105 307(1971)]
72. Бетяев С К ДАН СССР 257 1310 (1981) [Betyaev S К Sov. Phys.
Dokl. 26 359 (1981)]
73. Никольский А А ДАН СССР 116 193 (1957)
74. Никольский А А ДАН СССР 116 365 (1957)
75. Никольский А А, Бетяев С К, Малышев И П, в сб. Проблемы
прикладной математики и механики (М.: Наука, 1971) с. 262
76. Benard Н Rev. Generale Sci. Pures Appl. 11 1261, 1309 (1900)
77. Rayleigh, Lord Philos. Mag. 32 529 (1916)
78. Rayleigh, Lord Proc. R. Soc. London A 93 148 (1916)
79. Marangoni C Sull’espansione delle gocce di un liquido gallegianti
sulla superficie di altro liquido (Pavia: Tipografia dei fratelli Fusi,
1865)
80. Welander P Tellus 16 349 (1964)
81. Ингель Л X УФН 167 779 (1997) [Ingel’ L Kh Phys. Usp. 40 741
(1997)]
82. Ингель Л X УФН 168 104 (1998) [Ingel’ L Kh Phys. Usp. 41 95
(1998)]
83. Ингель Л X УФН 172 691 (2002) [Ingel’ L Kh Phys. Usp. 45 637
(2002)]
84. Han C S, Jablonski P G J. Ecol. Field Biol. 31 1 (2008)
85. Harnwell G P Am. J. Phys. 16 127 (1948) [Гарнвэлл Г П УФН 36
528 (1948)]
86. Дерягин Б В УФН 100 726 (1970) [Deryagin В V Sov. Phys. Usp. 13
305 (1970)]
87. Дерягин Б В и др. Изв. АН СССР. Сер. хим. (10) 2178 (1967)
88. Гинзбург ВЛ УФН 103 87 (1971) [Ginzburg VLVov. Phys. Usp. 14
21 (1971)]
89. Дерягин Б В, Федякин Н Н ДАН СССР 147 403 (1962)
90. Дерягин Б В, Федякин Н Н ДАН СССР 182 1300 (1968)
91. Дерягин Б В и др. ДАН СССР 187 605 (1969)
92. Lippincott Е R et al. Science 164 1482 (1969)
93. Middlehurst J, Fisher L R Nature 227 57 (1970)
94. Leiga A G, Vance D W, Ward A T Science 168 114 (1970)
95. Kurtin S L et al. Science 167 1720 (1970)
96. Rousseau D L, Porto S P S Science 167 1715 (1970)
97. Morariu V V, Mills R, Woolf L A Nature 227 373 (1970)
98. Rabideau S W, Florin A E Science 169 48 (1970)
99. Allen L C, Kollman P A Science 167 1443 (1970)
100. O’Konski С T Science 168 1089 (1970)
101. Дерягин Б В, Чураев H В УФН 105 179 (1971)
102. Гинзбург В Л УФН 105 180 (1971)
103. Bascom W D, Brooks Е J, Worthington В N Nature 228 1290 (1970)
104. Pethica В A, Thompson W К, Pike W T Nature Phys. Sci. 229 21
(1971)
105. Захаров С Д, Мосягина И В, в сб. Материалы научного
Симпозиума ”Механизмы участия воды в биоэлектромагнит-
ных эффектах" г. Махачкала, 1-7 июля 2010 г. (М., 2013) с. 8
106. Wernet Ph et al. Science 304 995 (2004)
107. Huang C et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 13 19997 (2011)
108. Smolsky I L et al. J. Appl. Cry st. 40 (Suppl.) s453 (2007)
109. Mishima O, Calvert L D, Whalley E Nature 314 76 (1985)
110. Kanno H, Miyata К Chem. Phys. Lett. 422 507 (2006)
111. Першин С M, в сб. Материалы научного Симпозиума "Меха-
низмы участия воды в биоэлектро,магнитных эффектах"
г. Махачкала, 1-7 июля 2010 г. (М., 2013) с. 22
112. Волошин В П, Наберухин К) И, Маленков Г Г Структура и
динамика молекулярных систем (10А) 12 (2011) Электронный
журн.; http://old.kpfu.ru/sdms/files 10/EJ_S&DMS
_10A_pl2_25.pdf
113. Bernal J D, Fowler R H J. Chem. Phys. 1 515 (1933) [Берналь Дж,
Фаулер P УФН 14 586 (1934)]
114. Debye P ’’Die quasikristalline Struktur von Flussigkeiten”, in Der
feste Korper; Vortrage an der Tagung der Physikalischen Gesellschaft
Zurich anlasslich der Feier ihres 50jahrigen bestehens (Leipzig:
S. Hirzel, 1938) [Дебай П УФН 21 120 (1939)]
115. Debye P J W Struktur der Materie (Leipzig: S. Hirzel, 1933) [The
Structure of Matter (Albuquerque: The Univ, of New Mexico,
1934); Дебай П УФН 14 846 (1934)]
116. Debye P Chem. Rev. 19 171 (1936) [Дебай П УФН 17 459 (1937)]
117. Маэно H Наука о льде (М.: Мир, 1988)
118. Loerting Т, Giovambattista N J. Phys. Condens. Matter 18 R919
(2006)
119. Salzmann C G et al. Phys. Rev. Lett. 103 105701 (2009)
120. Smoluchowski M Naturwissenschaften 6 (17) 253 (1918) [Смолу-
ховский M УФН 7 329 (1927)]
121. Маленков Г Г, Яковлев С В, Гладков В А ’’Вода”, в кн.
Химическая энциклопедия (Гл. ред. И Л Кнунянц) Т. 1 (М.:
Советская энциклопедия, 1988) с. 766
122. Weisskopf V F CERN Courier 9 (10) 295 (1969) [Вайскопф В Ф
УФН 101 729 (1970)]
123. Langmuir I Chem. Rev. 6 451 (1930) [Лэнгмюр И УФН 10 463
(1930)]
74
Г.Р. ИВАНИЦКИЙ, А.А. ДЕЕВ, Е.П. ХИЖНЯК
[УФН 2014
124. de Boer J Proc. R. Soc. London A 215 4 (1952) [де-Бур И УФН51 41
(1953)]
125. Бак Б В УФН 15 1002(1935)
126. Скрипов В П, Синицын Е Н УФН 84 727 (1964) [Skripov V Р,
Sinitsyn Е N Sov. Phys. Usp. 7 887 (1965)]
127. Несис Е И УФН 87 615 (1965) [Nesis Е I Sov. Phys. Usp. 8 883
(1966)]
128. Uhlenbeck G E ’’Fundamental problems in statistical mechanics”
(1968) [Уленбек Г УФН 103 275 (1971)]
129. Френкель Я И УФН 16 955 (1936)
130. Френкель Я И УФН 25 1 (1941)
131. Френкель Я И УФЯ36 328 (1948)
132. Френкель Я И Кинетическая теория жидкостей (Л.: Наука,
1975) [Frenkel J Kinetic Theory of Liquids (Oxford: The Clarendon
Press, 1946)]
133. Taylor GI Phil. Trans. R. Soc. London A 223 289 (1923)
134. Саркисов Г H УФН 176 833 (2006) [Sarkisov G N Phys. Usp. 49
809 (2006)]
135. Фабелинский И Л УФН 117 711 (1975)
136. Фабелинский И Л УФН 170 93 (2000) [Fabelinskii I L Phys. Usp.
43 89 (2000)]
137. Гапонов-Грехов А В, Рабинович М И УФН 152 159 (1987)
[Gaponov-Grekhov А V, Rabinovich М I Sov. Phys. Usp. 30 433
(1987)]
138. Рабинович М И УФН 125 123 (1978) [Rabinovich М I Sov. Phys.
Usp. 21 443 (1978)]
139. Езерский А Б, Рабинович М И, Сущик М М УФН 131 306 (1980)
140. Рабинович М И, Сущик М М УФН 160 (1) 3 (1990) [Rabino-
vich М I, Sushchik М М Sov. Phys. Usp. 33 1 (1990)]
141. Grappin R, Leorat J Phys. Rev. Lett. 59 1100 (1987)
142. Кифер К) 1АИзв. АН СССР. Сер. матем. 38 1091 (1974) [Kifer Jul
Math. USSRIzv. 8 1083 (1974)]
143. Chandrasekhar S, Ranganath G S Adv. Phys. 35 507 (1986)
144. Обухов A M Турбулентность и динамика атмосферы (М.:
Гидрометеоиздат, 1988)
145. Погорелов В Е и др. УФН 127 683 (1979) [Pogorelov V Е et al. Sov.
Phys. Usp. 22 270 (1979)]
146. Швирст Э M, Кринский В И, Иваницкий Г Р Биофизика 34 649
(1984)
147. Ivanitsky G R et al. Biology Sov. Rev. D 2 279 (1981)
148. Busse F H, in Hydrodynamic Instabilities and the Transition to
Turbulence (Topics in Applied Physics, Vol. 45, Eds H L Swinney,
J P Gollub) (Berlin: Springer-Verlag, 1981) [Буссе Ф Г, в сб.
Гидродинамические неустойчивости и переход к турбулентно-
сти (Под ред. X Суинни, Дж Голлаба) (М.: Мир, 1984)]
149. Betchov R, Criminale W О (Jr.) Stability of Parallel Flows (New
York: Academic Press, 1967) [Бетчов P, Криминале В Вопросы
гидродинамической устойчивости (М.: Мир, 1971)]
150. Helmholtz Н Zwei hydrodynamische Abhandlungen (Leipzig:
W. Engelmann, 1896) [Гельмгольц Г Л Ф Основы вихревой
теории (М.: ИКИ, 2002)]
151. Taylor G Proc. R. Soc. London A 201 192 (1950)
152. Rayleigh (Lord) Proc. London Math. Soc. 14 170 (1882)
153. Sharp D H Physica D 12 3 (1984)
154. Лабунцов Д А, Ягов В В Механика двухфазных систем (М.:
Изд-во МЭИ, 2000) с. 143
155. Векштейн Г Е Физика сплошных сред в задачах (М.: Ин-т
компьют. исслед., 2002) с. 109
156. Glimm J et al. J. Stat. Phys. 107 241 (2002)
157. von Helmholtz H ’’Uber discontinuierliche Fliissigkeits-Bewegun-
gen” Monatsber. Konigl. Preufi. Akad. Wiss. Berlin 23 215 (1868)
158. Batchelor G К An Introduction to Fluid Dynamics (Cambridge:
Cambridge Univ. Press, 2000) p. 470
159. Eggers J Rev. Mod. Phys. 69 865 (1997)
160. von Karman T, Rubach H Phys. Z. 13 49 (1912)
161. Khizhnyak E P, Ziskin M C Bio electromagnetics 17 223 (1996)
162. Валиев К А, Иванов E H УФН 109 31 (1973) [Valiev К A,
Ivanov E N Sov. Phys. Usp. 16 1 (1973)]
163. Forrest D Int. J. Clin. Exp. Hypnosis 50 (4) 295 (2002)
164. Newman D H Hippocrates’ Shadow. Secrets from the House of
Medicine (New York: Scribner, 2008) p. 134
165. Рабинович M И, Мюезинолу M К УФН 180 371 (2010)
[Rabinovich M I, Muezzinoglu M К Phys. Usp. 53 357 (2010)]
166. Абарбанель Г Д и др. УФН 166 363 (1996) [Abarbanel Н D et al.
Phys. Usp. 39 337 (1996)]
167. Иваницкий Г P, Медвинский А Б, Цыганов M А УФН 164 1041
(1994) [Ivanitskii G R, Medvinskii A B, Tsyganov M A Phys. Usp.
37 961 (1994)]
168. БорисюкГНидр. УФН 172 1189 (2002) [Borisyuk GNet al. Phys.
Usp. 45 1073 (2002)]
169. А. Дуров в жизни и на арене (М.: Искусство, 1984)
170. Gantt W Н et al. Conditional Reflex 1 18 (1966)
171. Gross W В Int. J. Stud. Anim. Prob. 1 147 (1980)
172. Newton J F, Ehrlich W W Conditional Reflex 1 81 (1966)
173. Lynch J J et al. Psychophysiology 11 472 (1974)
174. Hemsworth P H, Brand A, Willems P Livestock Prod. Sci. 8 67
(1981)
175. Павлов И П Двадцатилетний опыт объективного изучения
высшей нервной деятельности (поведения) животных (М.: Нау-
ка, 1973) [Pavlov I Р Conditioned Reflexes; an Investigation of the
Physiological Activity of the Cerebral Cortex (New York: Dover
Publ., I960)]
176. Rajagopal S ’’The nocebo effect”, http://priory.com/medicine/
Nocebo.htm
177. Реутов В П, Шехтер А Н УФН 180 393 (2010) [Reutov V Р,
Schechter A N Phys. Usp. 53 377 (2010)]
178. Иваницкий Г Р УФН 182 1238 (2012) [Ivanitskii G R Phys. Usp. 55
1155 (2012)]
179. Kokkotou E et al. Neurogastroent. Motility 22 285 (2010)
180. Benedetti F et al. J. Neurosci. 25 10390 (2005)
181. Shapiro A К et al. J. Operational Psychiatry 6 43 (1974)
182. Benedetti F et al. Pain 75 313 (1998)
183. Coryell W, Noyes R Am. J. Psychiatry 145 1138 (1988)
184. Boissel J P et al. Eur. Heart J. 7 1030 (1986)
185. Traut E F, Passarelli E W Ann. Rheum. Dis. 16 (1) 18 (1957)
186. Иваницкий Г P Биофизика 46 (1) 5 (2001) [Ivanitsky G R
Biophysics 46 1 (2001)]
187. Hrobjartsson A, Gptzsche P C New Engl. J. Med. 344 1594 (2001)
Long-term dynamic structural memory in water: can it exist?
G.R. Ivanitskii, A.A. Deev, E.P. Khizhnyak
Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences,
ul. Institutskya 3,142290 Pushchino, Moscow region, Russian Federation
Tel. + 7 (0967) 73 24 81. Fax + 7 (0967) 79 05 53
E-mail: ivanitsky@iteb.ru, deev@iteb.ru, eugene@iteb.ru
There is no experimental evidence to support the hypothesis that water retains a memory of mechanical, magnetic and electromagnetic
influences it has been exposed to and of substances it has dissolved. After its solutes have been fully removed by repeated dilutions, the
water does not remember of having contained them or of the external physical influences exerted upon it. There is no arguable reason
that water should have a molecular information matrix capable of serving as a long-term memory.
PACS numbers: 07.57.-c, 61.20.-p, 65.20.-w, 83.10.Mj, 89.70.Cf
Bibliography— 187 references
Uspekhi Fizicheskikh Nauk 184 (1) 43-74 (2014)
DOI: 10.3367/UFNr.O184.201401b.0043
Received 25 April 2013, revised 30 July 2013
Physics - Uspekhi 57 (1) (2014)